Wu Enhui, Qiao Liang*
Dipartimentu di Chimica, Università Fudan, Shanghai 200433, Cina
I microorganismi sò strettamente ligati à e malatie umane è a salute. Cumu capisce a cumpusizioni di e cumunità microbiche è e so funzioni hè un prublema maiò chì deve esse studiatu urgentemente. Nta l'ultimi anni, a metaproteomica hè diventata un mezzu tecnicu impurtante per studià a cumpusizioni è a funzione di i microorganismi. Tuttavia, per via di a cumplessità è di l'alta eterogeneità di i campioni di a cumunità microbica, a trasfurmazioni di campioni, l'acquisizione di dati di spettrometria di massa è l'analisi di dati sò diventate e trè sfide maiò chì sò attualmente affruntate da a metaproteomica. In l'analisi metaproteomica, hè spessu necessariu ottimisà u pretrattamentu di diversi tipi di campioni è aduttà diversi schemi di separazione microbiana, arricchimentu, estrazione è lisi. Simile à u proteoma di una sola spezia, i modi di acquisizione di dati di spettrometria di massa in metaproteomica includenu u modu di acquisizione dipendente di dati (DDA) è u modu di acquisizione indipendente di dati (DIA). U modu di acquisizione di dati DIA pò cullà cumplettamente l'infurmazioni peptide di a mostra è hà un grande potenziale di sviluppu. Tuttavia, per via di a cumplessità di i campioni di metaproteome, a so analisi di dati DIA hè diventata un prublema maiò chì impedisce a cupertura prufonda di metaproteomica. In quantu à l'analisi di dati, u passu più impurtante hè a custruzzione di una basa di dati di sequenza di prutezione. A dimensione è a cumpletezza di a basa di dati ùn anu micca solu un grande impattu nantu à u numeru di identificazioni, ma ancu affettanu l'analisi à l'spezie è i livelli funziunali. Attualmente, u standard d'oru per a custruzzione di una basa di dati di metaproteome hè una basa di dati di sequenza di proteine basata nantu à u metagenoma. À u listessu tempu, u metudu di filtrazione di a basa di dati publica basatu nantu à a ricerca iterativa hè statu ancu pruvata per avè un forte valore praticu. Da a perspettiva di strategie di analisi di dati specifichi, i metudi di analisi di dati DIA centrati in peptide anu occupatu un mainstream assolutu. Cù u sviluppu di l'apprendimentu prufondu è l'intelligenza artificiale, prumove assai a precisione, a cobertura è a velocità di analisi di l'analisi di dati macroproteomica. In quantu à l'analisi bioinformatica downstream, una seria di strumenti di annotazione sò stati sviluppati in l'ultimi anni, chì ponu fà l'annotazione di spezie à u livellu di a proteina, u livellu di peptide è u livellu di genu per ottene a cumpusizioni di e cumunità microbiche. Comparatu cù altri metudi omici, l'analisi funziunale di e cumunità microbiche hè una caratteristica unica di a macroproteomica. A macroproteomica hè diventata una parte impurtante di l'analisi multi-omica di e cumunità microbiche, è hà sempre un grande potenziale di sviluppu in quantu à a prufundità di a cobertura, a sensibilità di rilevazione è a completezza di l'analisi di dati.
01 Pretrattamentu di mostra
Attualmente, a tecnulugia di metaproteomica hè stata largamente usata in a ricerca di u microbioma umanu, a terra, l'alimentariu, l'oceanu, i fanghi attivi è altri campi. In cunfrontu cù l'analisi di proteoma di una sola spezia, u pretrattamentu di mostra di metaproteoma di campioni cumplessi face più sfide. A cumpusizioni microbica in i campioni attuali hè cumplessu, a gamma dinamica di l'abbundanza hè grande, a struttura di u muru di cellula di diversi tipi di microrganismi hè assai diversa, è i campioni spessu cuntenenu una grande quantità di proteine ospiti è altre impurità. Dunque, in l'analisi di metaproteome, hè spessu necessariu ottimisà diversi tipi di campioni è aduttà diversi schemi di separazione microbica, arricchimentu, estrazione è lisi.
L'estrazione di metaproteomi microbiali da diversi campioni hà certe similitudini è alcune differenze, ma attualmente ùn ci hè una mancanza di un prucessu unificatu di pre-processamentu per diversi tipi di campioni di metaproteome.
02 Acquisizione di dati di spettrometria di massa
In l'analisi di proteoma di fucile, a mistura di peptide dopu u pretrattamentu hè prima siparata in a colonna cromatografica, è poi entra in u spettrometru di massa per l'acquistu di dati dopu l'ionizazione. Simile à l'analisi di proteoma di una sola specie, i modi di acquisizione di dati di spettrometria di massa in l'analisi di macroproteome includenu u modu DDA è u modu DIA.
Cù l'iterazione è l'aghjurnamentu cuntinui di strumenti di spettrometria di massa, strumenti di spettrometria di massa cù una sensibilità è una risoluzione più altu sò applicati à u metaproteome, è a prufundità di copertura di l'analisi metaproteome hè ancu migliurata continuamente. Per un bellu pezzu, una seria di strumenti di spettrometria di massa d'alta risoluzione guidati da Orbitrap sò stati largamente utilizati in metaproteome.
A Tabella 1 di u testu originale mostra alcuni studii rapprisentanti nantu à a metaproteomica da u 2011 à u presente in quantu à u tipu di mostra, a strategia d'analisi, u strumentu di spettrometria di massa, u metudu di acquisizione, u software di analisi è u numeru di identificazioni.
03 Analisi di dati di spettrometria di massa
3.1 strategia di analisi di dati DDA
3.1.1 Ricerca di basa di dati
3.1.2de novostrategia di sequenza
3.2 strategia di analisi di dati DIA
04 Classificazione di spezie è annotazione funziunale
A cumpusizioni di e cumunità microbiche à diversi livelli tassonomichi hè unu di i campi di ricerca chjave in a ricerca di microbioma. Nta l'ultimi anni, una seria di strumenti di annotazione sò stati sviluppati per annotà e spezie à u livellu di a proteina, u livellu di peptide è u livellu di genu per ottene a cumpusizioni di e cumunità microbiche.
L'essenza di l'annotazione funzionale hè di paragunà a sequenza di a proteina di destinazione cù a basa di dati di a sequenza di proteina funzionale. Utilizendu e basa di dati di funzioni geniche cum'è GO, COG, KEGG, eggNOG, etc., diverse analisi di annotazione funzionale ponu esse realizate nantu à e proteine identificate da i macroproteomi. Strumenti di annotazione include Blast2GO, DAVID, KOBAS, etc.
05 Riassuntu è Outlook
I microorganismi ghjucanu un rolu impurtante in a salute umana è a malatia. Nta l'ultimi anni, a metaproteomica hè diventata un mezzu tecnicu impurtante per studià a funzione di e cumunità microbiche. U prucessu analiticu di a metaproteomica hè simile à quellu di a proteomica di una sola spezia, ma per via di a cumplessità di l'ughjettu di ricerca di metaproteomica, strategie di ricerca specifiche deve esse aduttatu in ogni passu di analisi, da pretrattamentu di mostra, acquisizione di dati à analisi di dati. Attualmente, grazia à a migliione di i metudi di pretrattamentu, l'innuvazione cuntinua di a tecnulugia di spettrometria di massa è u rapidu sviluppu di a bioinformatica, a metaproteomica hà fattu un grande prugressu in a prufundità d'identificazione è u scopu di l'applicazione.
In u prucessu di pre-trattamentu di campioni di macroproteome, a natura di a mostra deve esse cunsiderata prima. Cumu separà i microrganismi da e cellule ambientali è e proteine hè una di e sfide chjave chì facenu i macroproteomi, è l'equilibriu trà l'efficienza di separazione è a perdita microbica hè un prublema urgente per esse risolta. Siconda, l'estrazione di a proteina di i microorganismi deve piglià in contu e diffirenzii causati da l'eterogeneità strutturale di diversi batteri. I campioni di macroproteome in a gamma di traccia necessitanu ancu metudi specifichi di pretrattamentu.
In termini di strumenti di spettrometria di massa, i strumenti di spettrometria di massa mainstream anu subitu una transizione da spettrometri di massa basati in analizzatori di massa Orbitrap cum'è LTQ-Orbitrap è Q Exactive à spettrometri di massa basati nantu à a mobilità ionica accoppiati à l'analizzatori di massa di u tempu di volu cum'è timsTOF Pro. . A serie timsTOF di strumenti cù informazioni di dimensione di mobilità ionica anu una alta precisione di rilevazione, un limitu di rilevazione bassu è una bona ripetibilità. Sò diventati gradualmente strumenti impurtanti in una varietà di campi di ricerca chì necessitanu a rilevazione di spettrometria di massa, cum'è u proteoma, metaproteome è metaboloma di una sola spezia. Hè da nutà chì per un bellu pezzu, a gamma dinamica di strumenti di spettrometria di massa hà limitatu a prufundità di a cobertura di a proteina di a ricerca di metaproteome. In u futuru, strumenti di spettrometria di massa cù un intervallu dinamicu più grande ponu migliurà a sensibilità è a precisione di l'identificazione di a proteina in metaproteomi.
Per l'acquisizione di dati di spettrometria di massa, anche se u modu di acquisizione di dati DIA hè statu largamente aduttatu in u proteoma di una sola spezia, a maiò parte di l'analisi di macroproteome attuali utilizanu ancu u modu di acquisizione di dati DDA. U modu di acquisizione di dati DIA pò ottene cumplettamente l'infurmazioni di frammentu di l'ione di a mostra, è paragunatu cù u modu di acquisizione di dati DDA, hà u putenziale di ottene sanu l'infurmazioni di peptide di a mostra macroproteome. Tuttavia, per via di l'alta cumplessità di e dati DIA, l'analisi di e dati macroproteome DIA hè sempre affruntatu grandi difficultà. U sviluppu di l'intelligenza artificiale è l'apprendimentu prufondu hè previstu per migliurà l'accuratezza è a completezza di l'analisi di dati DIA.
In l'analisi di dati di metaproteomica, unu di i passi chjave hè a custruzzione di basa di dati di sequenza di prutezione. Per i zoni di ricerca populari cum'è a flora intestinali, i basa di dati microbiali intestinali cum'è IGC è HMP ponu esse utilizati, è sò stati ottenuti boni risultati d'identificazione. Per a maiò parte di l'altri analisi di metaproteomica, a strategia di custruzzione di basa di dati più efficaci hè sempre di stabilisce una basa di dati di sequenza di proteine specifica di campioni basata nantu à dati di sequenza metagenomica. Per i campioni di a cumunità microbica cù una alta cumplessità è un grande intervallu dinamicu, hè necessariu aumentà a prufundità di sequenza per aumentà l'identificazione di spezie di bassa abbundanza, migliurà cusì a cobertura di a basa di dati di sequenza di proteine. Quandu i dati di sequenza ùn mancanu, un metudu di ricerca iterativa pò esse usatu per ottimisà a basa di dati publica. In ogni casu, a ricerca iterativa pò influenzà u cuntrollu di qualità FDR, cusì i risultati di ricerca anu da esse verificatu currettamente. Inoltre, l'applicabilità di i mudelli tradiziunali di cuntrollu di qualità FDR in l'analisi di metaproteomica hè sempre degna di scopra. In termini di strategia di ricerca, a strategia di biblioteca spettrale hibrida pò migliurà a prufundità di a cobertura di a metaproteomica DIA. Nta l'ultimi anni, a biblioteca spettrale prevista generata basatu annantu à l'apprendimentu prufondu hà dimustratu un rendimentu superiore in a proteomica DIA. In ogni casu, i basa di dati di metaproteome spessu cuntenenu milioni di entrate di prutezione, chì risultatu in una grande scala di biblioteche spettrali previste, cunsuma assai risorse di computing, è risultati in un grande spaziu di ricerca. Inoltre, a similitudine trà e sequenze di proteine in metaproteomi varia assai, facendu difficiuli di assicurà l'accuratezza di u mudellu di prediczione di a biblioteca spettrali, cusì e librerie spettrali previste ùn sò micca largamente usate in metaproteomica. Inoltre, novi strategie di inferenza di proteina è annotazione di classificazione anu da esse sviluppate per applicà à l'analisi metaproteomica di proteine altamente simili à sequenza.
In riassuntu, cum'è una tecnulugia di ricerca di microbioma emergente, a tecnulugia di metaproteomica hà ottenutu risultati di ricerca significativi è hà ancu un enorme putenziale di sviluppu.
Tempu di post: Aug-30-2024