Vu Enhui, Qiao Liang*
Kimya şöbəsi, Fudan Universiteti, Şanxay 200433, Çin
Mikroorqanizmlər insan xəstəlikləri və sağlamlığı ilə sıx bağlıdır. Mikrob icmalarının tərkibini və onların funksiyalarını necə başa düşmək təcili öyrənilməli olan əsas məsələdir. Son illərdə metaproteomika mikroorqanizmlərin tərkibini və funksiyasını öyrənmək üçün mühüm texniki vasitəyə çevrilmişdir. Bununla belə, mikrob icma nümunələrinin mürəkkəbliyi və yüksək heterojenliyi səbəbindən nümunənin işlənməsi, kütləvi spektrometriya məlumatlarının əldə edilməsi və məlumatların təhlili hazırda metaproteomikanın üzləşdiyi üç əsas problemə çevrilmişdir. Metaproteomik analizdə tez-tez müxtəlif növ nümunələrin ilkin müalicəsini optimallaşdırmaq və müxtəlif mikrobların ayrılması, zənginləşdirilməsi, çıxarılması və lizis sxemlərini qəbul etmək lazımdır. Tək bir növün proteomuna bənzər olaraq, metaproteomikada kütləvi spektrometriya məlumatlarının əldə edilməsi rejimlərinə verilənlərdən asılı əldə etmə (DDA) rejimi və məlumatdan müstəqil əldə etmə (DIA) rejimi daxildir. DİA məlumat toplama rejimi nümunənin peptid məlumatını tamamilə toplaya bilər və böyük inkişaf potensialına malikdir. Bununla belə, metaproteom nümunələrinin mürəkkəbliyi səbəbindən onun DİA məlumatlarının təhlili metaproteomikanın dərin əhatəsinə mane olan əsas problemə çevrilmişdir. Məlumatların təhlili baxımından ən vacib addım zülal ardıcıllığı verilənlər bazasının qurulmasıdır. Verilənlər bazasının ölçüsü və tamlığı yalnız identifikasiyaların sayına böyük təsir göstərmir, həm də növlər və funksional səviyyələrdə təhlilə təsir göstərir. Hazırda metaproteom verilənlər bazasının qurulması üçün qızıl standart metagenom əsasında zülal ardıcıllığı verilənlər bazasıdır. Eyni zamanda, iterativ axtarışa əsaslanan ictimai verilənlər bazası filtrləmə metodunun da güclü praktik əhəmiyyəti olduğu sübut edilmişdir. Xüsusi məlumatların təhlili strategiyaları baxımından, peptid mərkəzli DİA məlumat təhlili metodları mütləq əsas cərəyanı tutur. Dərin öyrənmə və süni intellektin inkişafı ilə o, makroproteomik məlumatların təhlilinin dəqiqliyini, əhatə dairəsini və analiz sürətini böyük dərəcədə artıracaq. Aşağı axın bioinformatika təhlili baxımından, son illərdə mikrob icmalarının tərkibini əldə etmək üçün zülal səviyyəsində, peptid səviyyəsində və gen səviyyəsində növ annotasiyasını həyata keçirə bilən bir sıra annotasiya vasitələri hazırlanmışdır. Digər omics metodları ilə müqayisədə mikrob icmalarının funksional təhlili makroproteomikanın unikal xüsusiyyətidir. Makroproteomika mikrob icmalarının multi-omik analizinin mühüm hissəsinə çevrilmişdir və əhatə dərinliyi, aşkarlama həssaslığı və məlumatların təhlilinin tamlığı baxımından hələ də böyük inkişaf potensialına malikdir.
01 Nümunədən əvvəl müalicə
Hazırda metaproteomika texnologiyası insan mikrobiomunun, torpağın, qidanın, okeanın, aktiv lilin və digər sahələrin tədqiqində geniş istifadə olunur. Tək bir növün proteom analizi ilə müqayisədə, kompleks nümunələrin metaproteomunun nümunəvi ilkin müalicəsi daha çox problemlə üzləşir. Faktiki nümunələrdə mikrob tərkibi mürəkkəbdir, bolluğun dinamik diapazonu böyükdür, müxtəlif növ mikroorqanizmlərin hüceyrə divarının strukturu çox fərqlidir və nümunələrdə çox vaxt çoxlu miqdarda ana zülallar və digər çirklər olur. Buna görə də, metaproteomun təhlili zamanı tez-tez müxtəlif növ nümunələri optimallaşdırmaq və müxtəlif mikrob ayırma, zənginləşdirmə, ekstraksiya və lizis sxemlərini qəbul etmək lazımdır.
Müxtəlif nümunələrdən mikrob metaproteomlarının çıxarılması müəyyən oxşarlıqlarla yanaşı bəzi fərqlərə də malikdir, lakin hazırda müxtəlif növ metaproteom nümunələri üçün vahid ilkin emal prosesinin olmaması mövcuddur.
02 Kütləvi spektrometriya məlumatlarının əldə edilməsi
Ov tüfəngi proteom analizində, ilkin müalicədən sonra peptid qarışığı əvvəlcə xromatoqrafik sütunda ayrılır və sonra ionlaşmadan sonra məlumatların alınması üçün kütlə spektrometrinə daxil olur. Tək növ proteom analizinə bənzər şəkildə, makroproteom analizində kütləvi spektrometriya məlumatlarının əldə edilməsi rejimlərinə DDA rejimi və DİA rejimi daxildir.
Kütləvi spektrometriya cihazlarının davamlı təkrarlanması və yenilənməsi ilə daha yüksək həssaslığa və ayırdetmə qabiliyyətinə malik kütləvi spektrometriya alətləri metaproteoma tətbiq edilir və metaproteom analizinin əhatə dərinliyi də davamlı olaraq təkmilləşdirilir. Uzun müddətdir ki, Orbitrap başçılıq etdiyi yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malik bir sıra kütləvi spektrometriya alətləri metaproteomda geniş istifadə olunur.
Orijinal mətnin Cədvəl 1-də 2011-ci ildən bu günə qədər metaproteomikaya dair nümunə növü, analiz strategiyası, kütləvi spektrometriya aləti, əldə etmə metodu, analiz proqramı və identifikasiyaların sayı baxımından bəzi reprezentativ tədqiqatlar göstərilir.
03 Kütləvi spektrometriya məlumatlarının təhlili
3.1 DDA məlumatların təhlili strategiyası
3.1.1 Verilənlər Bazasının Axtarışı
3.1.2de novoardıcıllıq strategiyası
3.2 DİA məlumatların təhlili strategiyası
04Növlərin təsnifatı və funksional annotasiyası
Müxtəlif taksonomik səviyyələrdə mikrob icmalarının tərkibi mikrobiom tədqiqatlarının əsas tədqiqat sahələrindən biridir. Son illərdə mikrob icmalarının tərkibini əldə etmək üçün zülal səviyyəsində, peptid səviyyəsində və gen səviyyəsində növlərə şərh vermək üçün bir sıra annotasiya vasitələri hazırlanmışdır.
Funksional annotasiyanın mahiyyəti hədəf zülal ardıcıllığını funksional zülal ardıcıllığı verilənlər bazası ilə müqayisə etməkdir. GO, COG, KEGG, eggNOG və s. kimi gen funksiyası verilənlər bazalarından istifadə edərək, makroproteomlar tərəfindən müəyyən edilmiş zülallar üzərində müxtəlif funksional annotasiya təhlilləri aparıla bilər. Annotasiya vasitələrinə Blast2GO, DAVID, KOBAS və s.
05 Xülasə və Outlook
Mikroorqanizmlər insan sağlamlığında və xəstəliklərində mühüm rol oynayır. Son illərdə metaproteomika mikrob icmalarının funksiyasını öyrənmək üçün mühüm texniki vasitəyə çevrilmişdir. Metaproteomikanın analitik prosesi bir növ proteomikaya bənzəyir, lakin metaproteomikanın tədqiqat obyektinin mürəkkəbliyinə görə nümunənin ilkin təmizlənməsindən, məlumatların əldə edilməsindən tutmuş məlumatların təhlilinə qədər hər bir analiz mərhələsində xüsusi tədqiqat strategiyaları qəbul edilməlidir. Hal-hazırda, ilkin müalicə üsullarının təkmilləşdirilməsi, kütləvi spektrometriya texnologiyasının davamlı yeniliyi və bioinformatikanın sürətli inkişafı sayəsində metaproteomika identifikasiya dərinliyi və tətbiq dairəsində böyük irəliləyiş əldə etmişdir.
Makroproteom nümunələrinin ilkin müalicəsi prosesində ilk növbədə nümunənin xarakteri nəzərə alınmalıdır. Mikroorqanizmləri ətraf mühit hüceyrələrindən və zülallardan necə ayırmaq makroproteomların üzləşdiyi əsas problemlərdən biridir və ayrılmanın səmərəliliyi ilə mikrob itkisi arasındakı tarazlıq həll edilməli olan təcili problemdir. İkincisi, mikroorqanizmlərin zülal çıxarılması müxtəlif bakteriyaların struktur heterojenliyindən yaranan fərqləri nəzərə almalıdır. İz diapazonunda olan makroproteom nümunələri də xüsusi ilkin müalicə üsullarını tələb edir.
Kütləvi spektrometriya alətləri baxımından, əsas kütləvi spektrometriya alətləri LTQ-Orbitrap və Q Exactive kimi Orbitrap kütlə analizatorlarına əsaslanan kütlə spektrometrlərindən timsTOF Pro kimi ion hərəkətliliyinə bağlı uçuş vaxtı kütlə analizatorlarına əsaslanan kütlə spektrometrlərinə keçiddən keçmişdir. . İon hərəkətlilik ölçüsü məlumatı olan timsTOF seriyalı alətlər yüksək aşkarlama dəqiqliyinə, aşağı aşkarlama limitinə və yaxşı təkrarlanma qabiliyyətinə malikdir. Onlar tədricən bir növün proteomu, metaproteomu və metabolomu kimi kütləvi spektrometriyanın aşkar edilməsini tələb edən müxtəlif tədqiqat sahələrində mühüm alətə çevriliblər. Qeyd etmək lazımdır ki, uzun müddətdir ki, kütləvi spektrometriya alətlərinin dinamik diapazonu metaproteom tədqiqatının zülal əhatə dərinliyini məhdudlaşdırmışdır. Gələcəkdə daha böyük dinamik diapazonlu kütləvi spektrometriya alətləri metaproteomlarda zülal identifikasiyasının həssaslığını və dəqiqliyini təkmilləşdirə bilər.
Kütləvi spektrometriya məlumatlarının əldə edilməsi üçün, DİA məlumatlarının əldə edilməsi rejimi tək bir növün proteomunda geniş şəkildə qəbul edilmiş olsa da, əksər cari makroproteom analizləri hələ də DDA məlumatlarının əldə edilməsi rejimindən istifadə edir. DİA məlumat toplama rejimi nümunənin fraqment ion məlumatını tam əldə edə bilər və DDA məlumat əldə etmə rejimi ilə müqayisədə makroproteom nümunəsinin peptid məlumatını tam əldə etmək potensialına malikdir. Bununla belə, DİA məlumatlarının yüksək mürəkkəbliyi səbəbindən DİA makroproteom məlumatlarının təhlili hələ də böyük çətinliklərlə üzləşir. Süni intellektin və dərin öyrənmənin inkişafının DİA məlumatlarının təhlilinin dəqiqliyini və tamlığını artıracağı gözlənilir.
Metaproteomikanın məlumat təhlilində əsas addımlardan biri zülal ardıcıllığı verilənlər bazasının qurulmasıdır. Bağırsaq florası kimi məşhur tədqiqat sahələri üçün IGC və HMP kimi bağırsaq mikrob məlumat bazalarından istifadə edilə bilər və yaxşı identifikasiya nəticələri əldə edilmişdir. Əksər digər metaproteomik təhlillər üçün ən təsirli verilənlər bazası qurma strategiyası hələ də metagenomik ardıcıllıq məlumatlarına əsaslanan nümunə üçün xüsusi zülal ardıcıllığı verilənlər bazası yaratmaqdır. Yüksək mürəkkəbliyə və böyük dinamik diapazona malik mikrob icması nümunələri üçün az bolluqlu növlərin identifikasiyasını artırmaq üçün ardıcıllıq dərinliyini artırmaq lazımdır, bununla da zülal ardıcıllığı məlumat bazasının əhatə dairəsini yaxşılaşdırmaq lazımdır. Məlumatların ardıcıllığı olmadıqda, ictimai verilənlər bazasını optimallaşdırmaq üçün iterativ axtarış metodundan istifadə edilə bilər. Bununla belə, təkrarlanan axtarış FDR keyfiyyət nəzarətinə təsir göstərə bilər, ona görə də axtarış nəticələrini diqqətlə yoxlamaq lazımdır. Bundan əlavə, ənənəvi FDR keyfiyyətə nəzarət modellərinin metaproteomik analizdə tətbiqi hələ də araşdırılmağa dəyər. Axtarış strategiyası baxımından hibrid spektral kitabxana strategiyası DİA metaproteomikasının əhatə dairəsini yaxşılaşdıra bilər. Son illərdə dərin öyrənmə əsasında yaradılan proqnozlaşdırılan spektral kitabxana DIA proteomikasında üstün performans göstərmişdir. Bununla belə, metaproteom verilənlər bazaları çox vaxt milyonlarla protein girişini ehtiva edir ki, bu da böyük miqyasda proqnozlaşdırılan spektral kitabxanalarla nəticələnir, çoxlu hesablama resursları sərf edir və böyük axtarış sahəsi ilə nəticələnir. Bundan əlavə, metaproteomlarda zülal ardıcıllığı arasındakı oxşarlıq çox dəyişir, bu da spektral kitabxananın proqnozlaşdırılması modelinin düzgünlüyünü təmin etməyi çətinləşdirir, buna görə də proqnozlaşdırılan spektral kitabxanalar metaproteomikada geniş istifadə edilməmişdir. Bundan əlavə, yüksək ardıcıllıqla oxşar zülalların metaproteomik analizinə tətbiq etmək üçün yeni protein çıxarış və təsnifat annotasiya strategiyaları işlənib hazırlanmalıdır.
Xülasə, inkişaf etməkdə olan bir mikrobiom tədqiqat texnologiyası olaraq, metaproteomika texnologiyası əhəmiyyətli tədqiqat nəticələrinə nail olmuşdur və eyni zamanda böyük inkişaf potensialına malikdir.
Göndərmə vaxtı: 30 avqust 2024-cü il