宏蛋白组学

1994年，Wilkins和Williams首次提出了蛋白质组的概念，它是指细胞、组织或机体所表达的全部蛋白质。1997年，Peter James 又在此基础上率先提出蛋白质组学的概念，即研究细胞、组织或生物体内蛋白质组的科学领域。蛋白质组学应用范围非常广泛，包括对基因组的诠释、蛋白质的表达和功能、以及对蛋白质——蛋白质相互作用的研究等。

宏蛋白质组学是蛋白质组学的一个分支学科，与传统的蛋白质组学研究不同，宏蛋白质组学专注于分析微生物群落的蛋白质组成以及它们如何相互作用和响应环境变化。迄今为止，宏蛋白质组学研究涵盖了各种环境样品：包括发酵食品、酸性矿山废水生物膜，废水，海洋采样，土壤系统，冻土，人类微生物组和各种环境生态及肠道菌群。自2005年第一个大型宏蛋白质组数据生成，宏蛋白质组学在规模、深度、速度和质量方面都有了迅速提升。

图1宏蛋白组学用于鉴定人类粪便样本中的蛋白质

宏蛋白质组学的技术流程主要包括：样品的制备，蛋白分离以及蛋白鉴定。

1、样品制备：样品的制备直接影响到鉴定的结果，不同的研究对象采取的制备方法也不同。研究者需要采集特定环境或生物样本中的微生物群落，如肠道、土壤、水体等。样品采集后，用过滤等物理手段去除非生物成分，然后用化学或物理方法裂解微生物细胞，释放并富集其中的蛋白质。

由于微生物种类繁多、且蛋白质丰度跨度较大，因此蛋白质提取的难度较大、非常容易提取失败或损失大量的蛋白，适当优化提取和裂解方案是非常有必要的。

2、蛋白分离：蛋白质分离技术主要包括凝胶分离技术和色谱技术两大类。

凝胶分离技术中二维凝胶电泳（2-DE）、二维荧光差异凝胶电泳（2D-DIGE）以及毛细管电泳（CE）等方法，在蛋白质组学研究中得到广泛应用。然而，凝胶电泳技术在实践中受限于多种条件，难以实现对复杂样品中蛋白质的完全有效分离。因此，当前更多地采用了色谱技术。

色谱技术能够显著提高蛋白质鉴定的种类和数量，有效弥补了电泳技术的某些不足。液相色谱（LC）作为常用的色谱技术之一，其适用范围广泛，常与2-DE结合使用，实现实验过程的自动化。而高效液相色谱（HPLC）则在LC的基础上发展，以其高特异性和高灵敏度，特别适用于分子量较小、膜蛋白以及低丰度蛋白的分离。

3、蛋白鉴定：质谱（MS）技术通过分析经特异性蛋白酶（如胰酶）水解后得到的肽段混合物以鉴定蛋白质，是目前最常用的蛋白质鉴定技术。采用质谱技术能够快速鉴定微生物中的蛋白质组分，并准确测定肽和蛋白质的相对分子质量、氨基酸序列和翻译后的修饰。因质谱与色谱同样具有高效性与准确性，两者联用己成为宏蛋白质组学研究的重要手段。其中使用频率较高的质谱是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）和电喷雾离子化质谱（ESI-MS）。

微生物蛋白质的鉴定也存在一定的挑战：一方面，由于微生物组索包含的蛋白质种类繁多，且丰度跨越大，对于质谱的分辨率、灵敏度等要求较高；另一方面，至今还有很多微生物未被鉴定，微生物组的蛋白质数据库并不完善，且微生物种群间的序列相似度较高，所以不管是依赖特定的数据库（如metaproteomics数据库）还是公共数据库，数据分析的难度都较大。

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