背景

2006年，Wilmes和Bond定义了"宏蛋白质组学"（metaproteomics）这一术语，用于描述在特定时间、特定环境中微生物群落所有蛋白质的全面分析。微生物细胞中蛋白质大约占细胞干重的50%。这些蛋白质是细胞生物过程的基本功能单元，采用宏蛋白质组学技术可以对复杂样本中微生物组的蛋白质组成进行分析，对理解微生物组功能非常重要。

在16s、宏基因组、宏转录组等“宏组学”系列产品的基础上，针对微生物组研究推出全新产品“深度宏蛋白质组”，通过全新Astral质谱平台对微生物组的蛋白质进行高通量定性和定量分析，实现万级超高深度蛋白鉴定，并提供菌群注释、蛋白定量分析、蛋白功能注释、差异蛋白分析和高级分析等丰富的生信分析结果，助力揭示复杂样本中微生物种群与共生协作关系。深度宏蛋白质组学可以把微生物群落的基因信息和功能信息进行关联，揭示群体中发挥关键作用的微生物和与其相关的蛋白质功能，在“肠脑轴”、发病机制研究、疾病分型研究等多领域具有广泛的应用。

技术路线

深度宏蛋白质组的主要步骤包括：微生物组样本总蛋白提取、肽段酶解、质谱采集、数据分析、生信分析和实验报告等。具体实验流程如下图所示：

图1 深度宏蛋白质组的技术路线

产品优势

（1）万级超高深度蛋白鉴定——更深度挖掘复杂样本的蛋白质全貌

拜谱生物通过对样本前处理、质谱上机和数据搜库等全流程优化，实测项目蛋白鉴定数量突破10000+，实现复杂微生物样本宏蛋白质组的深度鉴定。

图2 实测项目蛋白鉴定数量

（2）丰富的生信分析结果——更全面揭示蛋白质功能档案

采用HMP官方数据库，注释信息更全，并提供菌群注释、蛋白定量分析、蛋白功能注释、差异蛋白分析和高级分析等丰富的生信分析结果，助力全面揭示宏蛋白质组功能档案。

图3 深度宏蛋白质组生信分析内容（部分）

（3）全新Astral质谱平台——更高通量，更高灵敏度，更精准定量

采用赛默飞最新尖端LC-MS/MS质谱平台—Orbitrap Astral，实现高通量、高灵敏度的蛋白定性定量，适用于大队列样本的宏蛋白质组学深度分析。

应用案例

一、“肠脑轴”研究

文献名称：Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice

发表期刊：Cell Host & Microbe，IF=30.3, 2023

技术方法：16S rRNA+宏蛋白质组学+代谢组学

样本类型：婴儿粪便、小鼠粪便

研究内容：

研究人员采用宏蛋白质组学对婴儿粪便进行分析，结果发现认识能力低的婴儿粪便肠道菌群富含参与细胞内运输分泌和囊泡运输的蛋白质，而认识能力高的婴儿粪便肠道菌群中参与碳水化合物运输和代谢的蛋白质有增加的趋势，其中组氨酸酶（HutH）是认识能力高的婴儿粪便宏白质组中唯一显著富集的蛋白质。HutH水平的差异以及不同的粪便和尿液组氨酸代谢组与婴儿认知有关。此外，通过婴儿供体的肠道菌群粪便移植的记忆功能可以传播给无菌小鼠，认识能力较好的婴儿供体移植小鼠富含Phocaeicola, Bacteroides和Bifidobacterium等与认识能力有关的细菌。

图4 婴儿肠道菌群的宏蛋白质组学富集分析

二、发病机制研究

文献名称：Multi-omics analyses of the ulcerative colitis gut microbiome link Bacteroides vulgatus proteases with disease severity

发表期刊：Nature Microbiology，IF=18.9, 2022

技术方法：宏蛋白质组+宏基因组+代谢组

样本类型：溃疡性结肠炎（UC）患者粪便和血清

研究内容：

为了了解宿主-微生物群的相互作用在溃疡性结肠炎（UC）中发挥的作用，研究人员从40名UC患者中收集并分析了基于粪便或血清的宏蛋白质组、宏基因组和代谢组等多组学数据集。结果表明，临床活跃的UC患者中有一个亚群有来自普通拟杆菌（B. vulgatus）的蛋白酶过多，一些拟杆菌属的蛋白酶可能参与UC的发病机制。拟杆菌属是肠道中最丰富的物种之一，位于结肠的外粘膜层，在消化复合碳水化合物中起重要作用，这项研究推进了目前对B. vulgatus和 UC之间联系的了解，B. vulgatus可能通过蛋白酶活性影响UC疾病严重程度，表明抑制B. vulgatus蛋白酶可能具有治疗或预防UC的作用。

图5 溃疡性结肠炎肠道微生物组的多组学分析

三、疾病分型研究

文献名称：Location-specific signatures of Crohn's disease at a multi-omics scale

发表期刊：Microbiome，IF=16.8, 2022

技术方法：宏蛋白质组+宏基因组+16s+代谢组

样本类型：IBD患者和健康对照组的粪便

研究内容：

研究人员通过多组学分析和宿主遗传学方法定义克罗恩病（CD）的位置特征，结果表明单纯的宏基因组学和宿主遗传学都不能区分CD位置亚型，而使用基于质谱的方法 (代谢组学、宏蛋白质组学) 或结合多组学特征集，可以区分回肠和结肠CD。与回肠CD相比，结肠CD和溃疡性结肠炎的特征集有惊人的相似，包括中性粒细胞相关蛋白的富集。与结肠CD相比，回肠CD图谱显示了初级和次级胆汁酸水平的增加，以及伴随特征肠道菌群分类群的变化，如具有明显的敏感性的普拉梭菌，对富含胆汁酸环境具有亲和性的γ-变形菌和经黏液真杆菌属。该研究揭示了回肠CD和结肠CD的分子独特性，证明了宏蛋白质组学方法在疾病分型领域的重要作用。

图6 宏蛋白质组学分析揭示回肠和结肠CD的共同特征和独特特征

送样建议

备注：物种仅限人和小鼠，其他物种样本建议先采用宏基因组数据建库以保证数据质量。

拜谱生物小结

今年来，随着质谱技术的发展，高通量的“宏组学”方法在微生物组研究中得到了广泛的应用，这些方法可以对微生物群体的有机体和功能进行分析，从而深刻理解宿主和微生物的互作关系以及微生物群落中个体的功能特征。基于此，拜谱生物全新推出了“深度宏蛋白质组”，通过Astral质谱平台实现万级超高深度蛋白鉴定的突破，并采用菌群注释、蛋白定量分析、蛋白功能注释、差异蛋白分析和高级分析等生信分析全面解码微生物群落的“蛋白功能档案”，进一步丰富了微生物“宏组学”体系。由此，拜谱生物可提供16s、宏基因组、宏转录组、深度宏蛋白质组服务，实现了微生物群落丰度-基因-蛋白-功能的完整解析，为微生物组研究提供了无限可能，欢迎大家咨询！

参考文献：

1. Tomas C, Alicia RR, Inmaculada A, et al. Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice. Cell Host & Microbe. 2023, 31(12): 1974-1988. doi: 10.1016/j.chom.2023.11.004.

2. Robert HM, Parambir SD, Yoshiki VB, et al. Multi-omics analyses of the ulcerative colitis gut microbiome link Bacteroides vulgatus proteases with disease severity. Nat Microbiol. 2022, 7(2):262-276. doi: 10.1038/s41564-021-01050-3.

3. Carlos GG, Robert HM, Qiyun Z, et al. Location-specific signatures of Crohn's disease at a multi-omics scale. Microbiome. 2022, 24;10(1):133. doi: 10.1186/s40168-022-01331-x.