メタプロテオミクス
環境中のすべてのタンパク質の研究

メタプロテオミクス（コミュニティプロテオミクス、環境プロテオミクス、コミュニティプロテオゲノミクスとも呼ばれる）は、環境起源の微生物群集およびマイクロバイオームに含まれるすべてのタンパク質を研究するための実験的アプローチの総称です。メタプロテオミクスは、複雑な微生物群集から同定および定量化されたすべてのタンパク質を扱う実験を分類するために使用されます。メタプロテオミクスのアプローチは、遺伝子中心の環境ゲノミクス、またはメタゲノミクスに匹敵します。[1] [2]

用語の起源

「メタプロテオミクス」という用語は、フランシスコ・ロドリゲス＝バレラによって、環境サンプル中で最も多く発現している遺伝子および／またはタンパク質を記述するために提唱されました。 [3]この用語は「メタゲノム」に由来しています。ウィルムスとボンドは、特定の時点における環境微生物叢全体のタンパク質組成の大規模な特性評価のために「メタプロテオミクス」という用語を提唱しました。 [4]一方、「微生物群集プロテオミクス」と「微生物群集プロテオゲノミクス」という用語は、異なる種類の実験や結果に対して互換的に使用されることがあります。

メタプロテオミクスが取り組む問題

メタプロテオミクスは、DNA中の遺伝子がmRNAに転写され、それがタンパク質に翻訳されることを研究に応用することで、生物の遺伝子機能をより深く理解することを可能にします。したがって、この手法を通して遺伝子発現の変化をモニタリングすることが可能です。さらに、タンパク質は細胞の活動と構造を表すため、メタプロテオミクスを研究に用いることで、分子レベルの機能情報を得ることができます。メタプロテオミクスは、微生物群集の構成を、群集内の個々の構成員種のバイオマスへの寄与という観点から評価するためのツールとしても用いることができ、16S rRNA遺伝子アンプリコンやメタゲノムシーケンシングといった遺伝子コピー数に基づいて群集構成を評価する手法を補完することができます。[5]

微生物群集のプロテオミクス

最初のプロテオミクス実験は、二次元 ポリアクリルアミドゲル電気泳動（2D-PAGE）の発明によって行われました。 [6] [7] 1980年代と1990年代には、質量分析法と質量分析法に基づくプロテオミクスが発展しました。現在の微生物群集のプロテオミクスでは、ゲルベース（一次元および二次元）と非ゲル液体クロマトグラフィーベースの分離法の両方が利用されており、どちらも質量分析法に基づくペプチド同定に依存しています。

プロテオミクスは主に発見に基づくアプローチであり、他の分子生物学的手法や分析手法を用いて対象システムの全体像を明らかにしますが、サンプル中に存在するタンパク質の単純なカタログ化に限定されるものではありません。「トップダウン」アプローチと「ボトムアップ」アプローチを組み合わせることで、プロテオミクスは、成長条件（栄養条件、空間条件、時間条件、化学条件など）における遺伝子発現の定量化からタンパク質の構造情報に至るまで、幅広い研究を追求することができます。[1]

ヒト口腔マイクロバイオームのメタプロテオミクス研究では、ショットガンプロテオミクスを用いて50の細菌属が同定されました。この結果は、メタゲノムに基づくアプローチであるヒトマイクロバイオームプロジェクトの研究結果と一致しました。[8]

同様に、メタプロテオミクスのアプローチは、細菌プロテオームとヒトの健康を関連付けるより大規模な臨床研究にも用いられています。最近の論文では、ショットガンプロテオミクスを用いて膣マイクロバイオームの特徴を明らかにし、プロファイリングされた688人の女性から188種の固有の細菌種を特定しました。[9] この研究では、膣マイクロバイオーム群と、女性のHIV感染を予防する局所抗レトロウイルス薬の有効性との関連性が示され、これは生体内での薬剤の細菌代謝に起因するとされました。さらに、メタプロテオミクスのアプローチは、膣マイクロバイオームの他の側面、例えば膣微生物叢のディスバイオシスによる免疫学的および炎症的影響[10]や、ホルモン避妊薬が膣マイクロバイオームに及ぼす影響[11]の研究にも用いられています。

メタプロテオミクスとヒト腸内微生物叢

口腔内および膣内マイクロバイオームに加え、腸内マイクロバイオーム研究でもメタプロテオーム的アプローチが用いられています。Longらによる2020年の研究では、メタプロテオーム的アプローチを用いて、大腸がんの 病因は腸内マイクロバイオームの変化に起因する可能性があることが示されました。この研究で検討されたいくつかのタンパク質は、鉄の摂取と輸送、そして酸化ストレスと関連しており、腸内鉄含有量の増加と酸化ストレスは大腸がんの兆候となることが示唆されています。[12]

2017年にXiongらが行った別の研究では、メタゲノミクスに加えてメタプロテオミクスを用いて、ヒトの発達過程における腸内マイクロバイオームの変化を解析した。Xiongらは、乳児の腸内マイクロバイオームは当初、エンテロコッカスやクレブシエラなどの通性嫌気性菌で占められ、その後、クロストリジウム、ビフィドバクテリウム、バクテロイデスなどの偏性嫌気性菌に変化する可能性があることを発見した。ヒトの腸内マイクロバイオームは時間の経過とともに変化したが、炭水化物、アミノ酸、ヌクレオチド代謝を含む微生物の代謝機能は一定に保たれた。[13]

2017年にMaierらが行った同様の研究では、メタプロテオミクスをメタゲノミクスおよびメタボロミクスと組み合わせて、難消化性デンプンがヒトの腸内マイクロバイオームに及ぼす影響を明らかにしました。被験者が難消化性デンプンを多く含む食事を摂取した後、酪酸キナーゼ、エノイルコエンザイムA（エノイルCoA）ヒドラターゼ、ホスホトランスアセチラーゼ、アデニロコハク酸シンターゼ、アデニンホスホリボシルトランスフェラーゼ、およびグアニン ホスホリボシルトランスフェラーゼなどのいくつかの微生物タンパク質が変化することがわかりました。被験者は、コリパーゼ、膵トリグリセリド リパーゼ、胆汁酸塩刺激リパーゼの増加を経験した一方で、 α-アミラーゼの減少も経験しました。[14]メタプロテオミクスは、心血管の健康の根底にある可能性のあるヒトとマイクロバイオームの相互作用を理解するためにも使用されています。 2025年にヤンらが行った研究では、機械学習を用いて、ヒトおよび微生物のタンパク質から、健康なコホートと心不全コホートにおいて心血管疾患のリスクが高い人を特定できることが示されました。[15]これらのタンパク質は主に腸の炎症と短鎖脂肪酸の生成に関連していました。

全体的に、メタプロテオミクスは健康分野における重要な発見につながったため、ヒトの腸内微生物叢研究において非常に人気が高まっています。[要出典]

環境マイクロバイオーム研究におけるメタプロテオミクス

メタプロテオミクスは、様々な生分解プロセスに関与する微生物の同定に特に有用です。Jiaらによる2017年の研究では、バイオ燃料生産微生物のタンパク質発現プロファイルの調査にメタプロテオミクスが応用されていることが示されています。この研究によると、水素およびメタン由来のバイオ燃料の生産には、細菌および古細菌のタンパク質が関与しています。関与する細菌タンパク質は、フィルミクテス綱、プロテオバクテリア綱、放線菌綱、バクテロイデス綱に見られるフェレドキシン-NADP還元酵素、酢酸キナーゼ、およびNADH-キノン酸化還元酵素です。これらのタンパク質は、炭水化物、脂質、およびアミノ酸の代謝に関与しています。関与する古細菌タンパク質は、メタノサルキナ属に見られるアセチルCoA脱炭酸酵素とメチルコエンザイムM還元酵素です。これらのタンパク質は酢酸の利用、CO2の還元、メチル栄養素の利用を含む生化学的経路に関与している。 [ 16]

メタプロテオミクスのための最初の定量法は、2018年にLalooらによって、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌を豊富に含む人工生物反応器を用いて報告されました。[17]ここで著者らは、タンパク質発現レベルの変化を摂動条件で研究するために、堅牢なSWATH-MS定量法（タンパク質必要量5μg）を用いました。この研究では、優勢な種であるアンモニア酸化細菌のタンパク質発現の変化は明確に観察された一方、存在量が少ない亜硝酸酸化細菌では変化が見られなかったことが指摘されています。

Liらによる2019年の研究では、メタプロテオミクスを用いて多環芳香族炭化水素（PAH）分解遺伝子のタンパク質発現を観察できることが実証されました。この研究の著者らは、PAHが廃水汚染物質として広く存在することから、廃水処理中の活性汚泥中の分解性微生物群集の同定に特に焦点を当てました。著者らは、Burkholderiales属細菌がPAH分解に深く関与していること、そして細菌タンパク質がDNA複製、脂肪酸およびグルコース代謝、ストレス応答、タンパク質合成、芳香族炭化水素代謝に関与していることを示しました。[18]

2020年にZhangらが行った同様の研究では、アゾ染料分解微生物のメタプロテオミクスプロファイリングが行われた。アゾ染料は有害な産業汚染物質であるため、メタプロテオミクスを用いて全体的な生分解メカニズムを観察する。メタゲノムショットガンシーケンシングを用いて、 Pseudomonas Burkholderia、Enterobacter、Lactococcus、Clostridiumの菌株が同定され、多くの細菌タンパク質が分解活性を示すことが明らかになった。メタプロテオミクスによって同定されたこれらのタンパク質には、TCA回路、解糖系、アルデヒド脱水素反応に関与するタンパク質が含まれる。これらのタンパク質の同定により、科学者たちはPseudomonasとBurkholderiaにおける潜在的なアゾ染料分解経路を提案するに至った。[19]

全体として、メタプロテオミクスは人間の健康に関する研究だけでなく、潜在的に有害な汚染物質を含む環境研究にも応用できます。

参照

参考文献

  1. ^ ab Dill BD, et al. (2010). 「メタプロテオミクス：技術と応用」.環境分子微生物学. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-52-3。
  2. ^ Marco, D. 編 (2010). 『メタゲノミクス：理論、方法、応用』Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-54-7。
  3. ^ Rodriguez-Valera, F. 2004. 環境ゲノミクスの全体像? FEMS Microbiol. Lett. 231:153-158.
  4. ^ Wilmes, P., PL Bond. 2006. 「メタプロテオミクス：微生物生態系における機能的遺伝子発現の研究​​」Trends Microbiol. 14:92-97.
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