メタプロテオミクス

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、環境源からの微生物群集とマイクロバイオーム内の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特定され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]}

「メタプロテオミクス」という用語は、環境サンプルで最も豊富に発現している遺伝子やタンパク質を説明するためにフランシスコ・ロドリゲス・バレラによって提案されました。 ^[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、特定の時点での環境微生物叢のタンパク質全体の大規模な特性評価のために「メタプロテオミクス」という用語を提案しました。 ^[4]同時に、「微生物コミュニティプロテオミクス」と「微生物コミュニティプロテオゲノミクス」という用語は、異なるタイプ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により、科学者は生物の遺伝子機能をより深く理解することができます。DNA 内の遺伝子は mRNA に転写され、その後タンパク質に翻訳されるからです。したがって、この方法を通じて遺伝子発現の変化を監視できます。さらに、タンパク質は細胞の活動と構造を表すため、研究にメタプロテオミクスを使用すると、分子レベルで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、群集内の個々のメンバー種のバイオマス寄与の観点から評価するためのツールとしても使用でき、16S rRNA 遺伝子アンプリコンやメタゲノム配列決定などの遺伝子コピー数に基づいて群集構成を評価するアプローチを補完することができます。^[5]

最初のプロテオミクス実験は、 2次元 ポリアクリルアミドゲル電気泳動（2D-PAGE）の発明によって実施されました。 ^{[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開発されました。現在の微生物群集のプロテオミクスでは、ゲルベース（1次元と2次元）と非ゲル液体クロマトグラフィーベースの分離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、他の分子または分析技術を併用して対象システムの全体像を提供しますが、サンプル中に存在するタンパク質の単純なカタログ作成に限定されません。「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た機能により、プロテオミクスは成長条件（栄養、空間、時間、化学）間の遺伝子発現の定量化からタンパク質構造情報まで、さまざまな調査を追求できます。^[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の細菌属を発見した。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と一致した。^[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人間の健康を関連付けるより大規模な臨床研究で使用されています。最近の論文では、ショットガンプロテオミクスを使用して膣マイクロバイオームを特徴付け、プロファイルされた688人の女性で188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のグループと、女性のHIV感染を防ぐための局所抗レトロウイルス薬の有効性が関連付けられました。これは、体内での薬剤の細菌代謝に起因するものでした。さらに、メタプロテオミクスのアプローチは、膣微生物のディスバイオシスによる免疫学的および炎症的影響や、膣マイクロバイオームに対するホルモン避妊薬の影響など、膣マイクロバイオームの他の側面の研究にも使用されています。^{[11 ]}

口腔および膣マイクロバイオーム以外にも、腸内マイクロバイオームの研究ではメタプロテオームアプローチが用いられている。Longらによる2020年の研究では、メタプロテオームアプローチを用いて、大腸がんの 発症は腸内マイクロバイオームの変化による可能性があると示されている。この研究で調べられたいくつかのタンパク質は、鉄の摂取と輸送、および酸化ストレスと関連しており、腸内の鉄含有量が多いことと酸化ストレスは大腸がんの兆候となる。^[12]

2017年にXiongらが行った別の研究では、メタゲノミクスとともにメタプロテオミクスを用いて、ヒトの発達中の腸内細菌叢の変化を分析した。Xiongらは、乳児の腸内細菌叢は最初は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、ビフィズス菌、バクテロイデスなどの偏性嫌気性菌で占められる可能性があることを発見した。ヒトの腸内細菌叢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のままであった。^[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とメタゲノミクス、メタボロミクスを組み合わせて、難消化性デンプンがヒトの腸内微生物叢に与える影響を明らかにした。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、アデニル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、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判明した。被験者はコリパーゼ、膵臓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が、 α-アミラーゼの減少も経験した。^[14]

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]

メタプロテオミクスは、さまざまな生分解プロセスに関与する微生物の特定に特に有用である。2017 年に Jia らが行った研究では、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た。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る。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ある。これらの特定のタンパク質は、炭水化物、脂質、およびアミノ酸の代謝に関与している。関与する古細菌タンパク質は、メタノサルキナ綱に見られるアセチル CoA 脱炭酸酵素およびメチル補酵素 M 還元酵素である。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に関わる生化学的経路に関与している_。 [ ^15]

メタプロテオミクスの最初の定量法は、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が豊富な人工生物学的リアクターで報告されました。^[16]ここで著者らは、摂動条件に対するタンパク質の発現レベルの変化を研究するために、堅牢なSWATH-MS定量法（タンパク質必要量5μg）を使用しました。この研究では、優勢な種、すなわち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が、少量しか存在しない亜硝酸酸化細菌ではそうではなかったことが指摘されています。

2019年にLiらが行った研究では、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するためのメタプロテオミクスの使用が実証されている。この研究の著者らは、PAHが非常に蔓延している廃水汚染物質であるため、廃水処理中の活性汚泥中の分解性微生物群集を特定することに特に焦点を当てた。著者らは、Burkholderiales細菌がPAH分解に大きく関与しており、細菌タンパク質がDNA複製、脂肪酸およびグルコース代謝、ストレス反応、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た。^[17]

2020年に張らが行った同様の研究では、アゾ染料を分解する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使用し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使用して、シュードモナス・バークホルデリア、エンテロバクター、ラクトコッカス、クロストリジウムの株が特定され、多くの細菌タンパク質が分解活性を示すことが判明した。メタプロテオミクスを使用して特定されたこれらのタンパク質には、TCA回路、解糖、アルデヒド脱水素に関与するものが含まれている。したがって、これらのタンパク質の特定により、科学者はシュードモナスとバークホルデリアにおける潜在的なアゾ染料分解経路を提案することになった。^[18]

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適用できます。

• メタトランスクリプトミクス