宏蛋白质组学——研究微生物群落基因表达的新技术

宏蛋白质组学是应用蛋白质组学技术对微生物群落进行研究的一项新技术,其定义为在特定的时间对微生物群落的所有蛋白质组成进行大规模鉴定。通过对宏蛋白质组学的研究策略、进展情况的综述、介绍,展望了宏蛋白组学在研究微生物群落基因表达中的应用前景。     

基于宏组学方法认识微生物群落及其功能

进入后基因组学时代,测序技术飞速发展,测序成本明显下降,形成了涵盖宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的宏组学技术,推动了对微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能方面的深入研究。最近随着整合的宏组学技术的提出及应用,全面系统分析微生物群落动态变化及其代谢功能已成为可能,这将成为微生物生态学研究的新趋势。本文综述了宏组学在研究海洋湖泊、深海热泉、人体肠道、牛瘤胃生境、森林土壤与堆肥生境等环境中微生物群落的结构和功能方面的最新进展与成功应用案例。     

宏基因组学:土壤微生物研究的新策略

土壤中多数微生物不可培养,这限制了微生物资源的开发利用。宏基因组学方法在开发和利用不可培养微生物资源方面有巨大潜力,可以将其运用到土壤微生物学研究中。对土壤宏基因组DNA的提取、宏基因组文库的构建和筛选等方面的研究现状和进展进行了简要综述。     

环境微生物群落功能研究的新方法和新策略

微生物群落在驱动生物地球化学循环中扮演着重要角色,传统的研究方法可对微生物群落进行遗传结构的解析,但不能有效地与功能研究耦联.概述了近年发展起来的基于核酸和蛋白质水平的分子生物学新方法--环境mRNA 和 rRNA同时荧光原位杂交(FISH)、寡核苷酸微阵列技术(Oligonucleotide Microarray)、 稳定性同位素联合宏基因组学(SIP-enabled Metagenomics)和环境蛋白质组学(Metaproteomics)在环境微生物群落功能研究中的应用,并且对其发展趋势进行了分析和展望.     

活性污泥微生物群落宏组学研究进展

活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。     

宏基因组学--研究微生物的新策略

2004年7月美国国立卫生研究院牙科与颌面研究中心（NIDCR）专门征集“利用宏基因组学研究口腔微生物”的研究申请书,征集通知中明确其目的是利用宏基因组学（Metagenomic）的技术,研究口腔中微生物群落,以阐明微生物在人类口腔健康和疾病中的作用.     

宏转录组技术及其研究进展

宏转录组学是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全部基因组转录情况以及转录调控规律的学科.简要概述宏转录组学的产生、研究策略及其应用情况,并对其应用前景进行展望.     

微生物蛋白质组学研究进展

微生物基因组研究作为人类基因组计划的一部分 ,对人类基因组计划及微生物学 ,甚至整个生命科学都产生巨大的影响[1] 。人类基因组测序已经取得突破性进展 ,现已绘制完毕人类基因组的工作草图 ,人类基因组计划即将提前完成。目前已采用ＤＮＡ ＲＮＡ芯片和基因表达序列分析 (ｓｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｅｎｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ,ＳＡＧＥ)来研究基因组的功能[2 ,3 ] 。但随着对基因组研究的深入 ,人们认识到单纯从基因组信息并不可能完全揭示生命的奥秘。因为蛋白质是生物功能的体现者 ,这使我们不得不考虑基因编码的蛋白质有什…     

土壤宏蛋白质组学在土壤污染评价中的应用

土壤微生物指标是评价土壤污染程度的重要生物学指标之一.近年来,随着分子生物学的发展,应用宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学技术考察土壤微生物的生态功能成为土壤功能的研究热点.相对于宏基因组学和宏转录组学,土壤宏蛋白质组学是以土壤微生物基因的功能组分——蛋白质为直接研究对象,考察不同时空点提取出来的土壤蛋白质的变化规律,更有助于揭示土壤微生物的生态功能及其在污染物迁移转化过程中的作用,在评价土壤污染方面也更具潜力.目前,土壤宏蛋白质组学正处于起步阶段,而土壤蛋白质的提取方法是制约其发展的主要因素之一,因此本文综述了蛋白质作为土壤污染评价指标的优势,重点比较了不同土壤蛋白质提取方法的优劣,结合案例分析了蛋白质作为土壤污染评价指标的可行性及存在的问题,并对土壤宏蛋白质组学的发展进行展望.     

宏基因组学及其在口腔微生物研究中的应用

宏基因组是指环境中所有微生物的遗传物质总和。宏基因组学技术可以最大限度地利用环境中的微生物资源,受到了国内外微生物研究者的重点关注。口腔中寄居着大量的微生物群落,以往对口腔疾病微生物的研究大多局限于单纯的细菌培养技术,然而,由于培养技术的局限性,部分微生物很难或根本不能培养,宏基因组学技术打破了这一局限性,帮助人类发掘更丰富的口腔微生物资源。最近,以宏基因组学测序为基础的研究描绘出了口腔生态系统的图谱,越来越多的实验证明口腔微生物组在各种口腔疾病甚至全身系统性疾病中的重要作用。同时,这也为基于人类微生物组的诊断和治疗开辟了新的途径。本综述旨在说明宏基因组学是研究人类口腔疾病及全身疾病相关微生物的得力工具,而且具有广阔的发展前景,同时也讨论了宏基因组学在应用中有待克服的局限性。     

元蛋白质组学在微生物功能研究中的应用

后基因组时代,仅依靠基因组方法来研究原位微生物群落的功能已远远不够,在这种背景下元蛋白质组学研究逐渐兴起。应用元蛋白质组学技术可大规模研究原位微生物群落的蛋白质表达,分析生态系统中微生物的功能,寻找新的功能基因和代谢通路,为微生物群体的基因和功能多样性研究提供数据。同时,还可鉴定与微生物功能相关的蛋白质,这些蛋白质未来可以作为生物标记物为环境可持续发展铺路。综述了元蛋白质组学的发展概况及其在微生物功能研究中的重大作用,强调了元蛋白质组学方法在分析新功能基因及其相关基因,揭示微生物多样性与微生物群体功能之间的关系等方面起到的作用,并对其应用前景进行了展望。     

Who is who in litter decomposition? Metaproteomics reveals major microbial players and their biogeochemical functions

Leaf-litter decomposition is a central process in carbon cycling; however, our knowledge about the microbial regulation of this process is still scarce. Metaproteomics allows us to link the abundance and activity of enzymes during nutrient cycling to their phylogenetic origin based on proteins, the ‘active building blocks'' in the system. Moreover, we employed metaproteomics to investigate the influence of environmental factors and nutrients on the decomposer structure and function during beech litter decomposition. Litter was collected at forest sites in Austria with different litter nutrient content. Proteins were analyzed by 1-D-SDS-PAGE followed by liquid-chromatography and tandem mass-spectrometry. Mass spectra were assigned to phylogenetic and functional groups by a newly developed bioinformatics workflow, assignments being validated by complementary approaches. We provide evidence that the litter nutrient content and the stoichiometry of C:N:P affect the decomposer community structure and activity. Fungi were found to be the main producers of extracellular hydrolytic enzymes, with no bacterial hydrolases being detected by our metaproteomics approach. Detailed investigation of microbial succession suggests that it is influenced by litter nutrient content. Microbial activity was stimulated at higher litter nutrient contents via a higher abundance and activity of extracellular enzymes.     

Shotgun metagenome sequencing of a Sudanese toombak snuff tobacco: genetic attributes of a high tobacco-specific nitrosamine containing smokeless tobacco product

The most alarming aspect of the Sudanese toombak smokeless tobacco is that it contains high levels of highly toxic tobacco-specific nitrosamines (TSNAs). Understanding the microbiology of toombak is of relevance because TSNAs are an indirect result of microbial-mediated nitrate reductions. We conducted shotgun metagenomic sequencing on a toombak product for which relevant features are presented here. The microbiota was composed of over 99% Bacteria. The most abundant taxa included Actinobacteria, specifically the genera Enteractinococcus and Corynebacterium, while Firmicutes were represented by the family Bacillaceae and the genus Staphylococcus. Selected gene targets were nitrate reduction and transport, antimicrobial resistance, and other genetic transference mechanisms. Canonical nitrate reduction and transport genes (i.e. nar) were found for Enteractinococcus and Corynebacterium while various species of Staphylococcus exhibited a notable number of antimicrobial resistance and genetic transference genes. The nitrate reduction activity of the microbiota in toombak is suspected to be a contributing factor to its high levels of TSNAs. Additionally, the presence of antimicrobial resistance and transference genes could contribute to deleterious effects on oral and gastrointestinal health of the end user. Overall, the high toxicity and increased incidences of cancer and oral disease of toombak users warrants further investigation into the microbiology of toombak.     

Metaproteomics: Evaluation of protein extraction from activated sludge

Metaproteomic studies of full‐scale activated sludge systems require reproducible protein extraction methods. A systematic evaluation of three different extractions protocols, each in combination with three different methods of cell lysis, and a commercial kit were evaluated. Criteria used for comparison of each method included the extracted protein concentration and the number of identified proteins and peptides as well as their phylogenetic, cell localization and functional distribution and quantitative reproducibility. Furthermore, the advantage of using specific metagenomes and a 2‐step database approach was illustrated. The results recommend a protocol for protein extraction from activated sludge based on the protein extraction reagent B‐Per and bead beating. The data have been deposited to the ProteomeXchange with identifier PXD000862 ( http://proteomecentral.proteomexchange.org/dataset/PXD000862 ).