מיקראָביאַל מעטאַפּראָטאָמיקס: פֿון מוסטער פּראַסעסינג, דאַטן זאַמלונג צו דאַטן אַנאַליסיס

Wu Enhui, Qiao Liang*

דעפּאַרטמענט פון כעמיע, פודאַן אוניווערסיטעט, שאַנגהאַי 200433, טשיינאַ

מייקראָואָרגאַניזאַמז זענען ענג שייַכות צו מענטש חולאתן און געזונט. ווי צו פֿאַרשטיין דעם זאַץ פון מייקראָוביאַל קהילות און זייער פאַנגקשאַנז איז אַ הויפּט אַרויסגעבן וואָס דאַרף זיין ערדזשאַנטלי געלערנט. אין די לעצטע יאָרן, מעטאַפּראָטעאָמיקס איז געווארן אַ וויכטיק טעכניש מיטל צו לערנען די זאַץ און פונקציע פון ​​​​מייקראָואָרגאַניזאַמז. אָבער, רעכט צו דער קאַמפּלעקסיטי און הויך העטעראַדזשיניאַטי פון מייקראָוביאַל קהל סאַמפּאַלז, מוסטער פּראַסעסינג, מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַקוואַזישאַן און דאַטן אַנאַליסיס האָבן ווערן די דריי הויפּט טשאַלאַנדזשיז איצט פייסט דורך מעטאַפּראָטעאָמיקס. אין מעטאַפּראָטאָמיקס אַנאַליסיס, עס איז אָפט נייטיק צו אַפּטאַמייז די פּרעטרעאַטמענט פון פאַרשידענע טייפּס פון סאַמפּאַלז און אַדאַפּט פאַרשידענע מייקראָוביאַל צעשיידונג, ענריטשמענט, יקסטראַקשאַן און ליסיס סקימז. ענלעך צו די פּראָטעאָמע פון ​​אַ איין מינים, די מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדעס אין מעטאַפּראָטאָמיקס אַרייַננעמען דאַטן-אָפענגיק אַקוואַזישאַן (DDA) מאָדע און דאַטן-פרייַ אַקוואַזישאַן (DIA) מאָדע. די DIA דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדע קענען גאָר זאַמלען די פּעפּטייד אינפֿאָרמאַציע פון ​​די מוסטער און האט אַ גרויס אַנטוויקלונג פּאָטענציעל. אָבער, רעכט צו דער קאַמפּלעקסיטי פון מעטאַפּפּראָטעאָמע סאַמפּאַלז, זייַן DIA דאַטן אַנאַליסיס איז געווארן אַ הויפּט פּראָבלעם וואָס כינדערז די טיף קאַווערידזש פון מעטאַפּראָטעאָמיקס. אין טערמינען פון דאַטן אַנאַליסיס, די מערסט וויכטיק שריט איז די קאַנסטראַקשאַן פון אַ פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס. די גרייס און קאַמפּליטנאַס פון די דאַטאַבייס ניט בלויז האָבן אַ גרויס פּראַל אויף די נומער פון לעגיטימאַציע, אָבער אויך ווירקן די אַנאַליסיס אין די מינים און פאַנגקשאַנאַל לעוועלס. דערווייַל, די גאָלד סטאַנדאַרט פֿאַר די קאַנסטראַקשאַן פון אַ מעטאַפּראָטעאָמע דאַטאַבייס איז אַ פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס באזירט אויף די מעטאַגענאָמע. אין דער זעלביקער צייט, די עפנטלעך דאַטאַבייס פֿילטרירונג אופֿן באזירט אויף יטעראַטיוו זוכן איז אויך פּראָווען צו האָבן אַ שטאַרק פּראַקטיש ווערט. פֿון דער פּערספּעקטיוו פון ספּעציפיש דאַטן אַנאַליסיס סטראַטעגיעס, פּעפּטייד-סענטערד DIA דאַטן אַנאַליסיס מעטהאָדס האָבן פאַרנומען אַן אַבסאָלוט מיינסטרים. מיט דער אַנטוויקלונג פון טיף לערנען און קינסטלעך סייכל, עס וועט שטארק העכערן די אַקיעראַסי, קאַווערידזש און אַנאַליסיס גיכקייַט פון מאַקראָפּראָטעאָמיק דאַטן אַנאַליסיס. אין טערמינען פון דאַונסטרים ביאָינפאָרמאַטיקס אַנאַליסיס, אַ סעריע פון ​​אַנאָטיישאַן מכשירים זענען דעוועלאָפּעד אין די לעצטע יאָרן, וואָס קענען דורכפירן מינים אַנאַטיישאַן אויף די פּראָטעין מדרגה, פּעפּטייד מדרגה און דזשין מדרגה צו קריגן דעם זאַץ פון מייקראָוביאַל קהילות. קאַמפּערד מיט אנדערע אָמיקס מעטהאָדס, די פאַנגקשאַנאַל אַנאַליסיס פון מייקראָוביאַל קהילות איז אַ יינציק שטריך פון מאַקראָפּראָטעאָמיקס. מאַקראָפּראָטעאָמיקס איז געווארן אַ וויכטיק טייל פון מולטי-אָמיקס אַנאַליסיס פון מייקראָוביאַל קהילות, און נאָך האט אַ גרויס אַנטוויקלונג פּאָטענציעל אין טערמינען פון קאַווערידזש טיפקייַט, דיטעקשאַן סענסיטיוויטי און קאַמפּליטנאַס פון דאַטן אַנאַליסיס.

01 מוסטער פּרעטרעאַטמענט

דערווייַל, מעטאַפּראָטעאָמיקס טעכנאָלאָגיע איז וויידלי געניצט אין דער פאָרשונג פון מענטשלעך מיקראָביאָמע, באָדן, עסנוואַרג, אָקעאַן, אַקטיוו סלאַדזש און אנדערע פעלדער. קאַמפּערד מיט די פּראָטעאָמע אַנאַליסיס פון אַ איין מינים, די מוסטער פּרעטרעאַטמענט פון מעטאַפּראָטעאָמע פון ​​קאָמפּלעקס סאַמפּאַלז פייסאַז מער טשאַלאַנדזשיז. די מייקראָוביאַל זאַץ אין פאַקטיש סאַמפּאַלז איז קאָמפּלעקס, די דינאַמיש קייט פון זעט איז גרויס, די צעל וואַנט סטרוקטור פון פאַרשידענע טייפּס פון מייקראָואָרגאַניזאַמז איז זייער אַנדערש, און די סאַמפּאַלז אָפט אַנטהאַלטן אַ גרויס סומע פון ​​פּראָטעינס און אנדערע ימפּיוראַטיז. דעריבער, אין די אַנאַליסיס פון מעטאַפּראָטעאָמע, עס איז אָפט נייטיק צו אַפּטאַמייז פאַרשידענע טייפּס פון סאַמפּאַלז און אַדאַפּט פאַרשידענע מייקראָוביאַל צעשיידונג, ענריטשמענט, יקסטראַקשאַן און ליסיס סקימז.

די יקסטראַקשאַן פון מייקראָוביאַל מעטאַפּראָומז פון פאַרשידענע סאַמפּאַלז האט זיכער סימאַלעראַטיז און עטלעכע דיפעראַנסיז, אָבער דערווייַל עס איז אַ פעלן פון אַ יונאַפייד פאַר-פּראַסעסינג פּראָצעס פֿאַר פאַרשידענע טייפּס פון מעטאַפּראָטעאָמע סאַמפּאַלז.

02 מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַקוואַזישאַן

אין שאַטגאַן פּראָטעאָמע אַנאַליסיס, די פּעפּטייד געמיש נאָך פּרעטרעאַטמענט איז ערשטער אפגעשיידט אין די טשראָמאַטאָגראַפיק זייַל, און דעמאָלט גייט אריין די מאַסע ספּעקטראָמעטער פֿאַר דאַטן אַקוואַזישאַן נאָך ייאַנאַזיישאַן. ענלעך צו פּראָטעאָמע אַנאַליסיס פון איין מינים, די מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדעס אין מאַקראָפּראָטעאָמע אַנאַליסיס אַרייַננעמען DDA מאָדע און DIA מאָדע.

מיט די קעסיידערדיק יטעראַטיאָן און דערהייַנטיקן פון מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ, מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ מיט העכער סענסיטיוויטי און האַכלאָטע זענען געווענדט צו מעטאַפּראָטעאָמע, און די קאַווערידזש טיפקייַט פון מעטאַפּפּראָטעאָמע אַנאַליסיס איז אויך קאַנטיניואַסלי ימפּרוווד. פֿאַר אַ לאַנג צייַט, אַ סעריע פון ​​הויך-האַכלאָטע מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ כעדאַד דורך אָרביטראַפּ האָבן שוין וויידלי געניצט אין מעטאַפּראָטעאָמע.

טיש 1 פון דער אָריגינעל טעקסט ווייזט עטלעכע רעפּריזענאַטיוו שטודיום אויף מעטאַפּראָטעאָמיקס פון 2011 צו די פאָרשטעלן אין טערמינען פון מוסטער טיפּ, אַנאַליסיס סטראַטעגיע, מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטרומענט, אַקוואַזישאַן אופֿן, אַנאַליסיס ווייכווארג און נומער פון לעגיטימאַציע.

03 מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַנאַליסיס

3.1 דדאַ דאַטן אַנאַליסיס סטראַטעגיע

3.1.1 דאַטאַבאַסע זוך

3.1.2de novoסיקוואַנסינג סטראַטעגיע

3.2 DIA דאַטן אַנאַליסיס סטראַטעגיע

04 מינים קלאַסאַפאַקיישאַן און פאַנגקשאַנאַל אַנאָטאַציע

דער זאַץ פון מייקראָוביאַל קהילות אין פאַרשידענע טאַקסאָנאָמיק לעוועלס איז איינער פון די שליסל פאָרשונג געביטן אין מיקראָביאָמע פאָרשונג. אין די לעצטע יאָרן, אַ סעריע פון ​​אַנאָטיישאַן מכשירים זענען דעוועלאָפּעד צו אַנאַטייט מינים אויף די פּראָטעין מדרגה, פּעפּטייד מדרגה, און דזשין מדרגה צו באַקומען דעם זאַץ פון מייקראָוביאַל קהילות.

די עסאַנס פון פאַנגקשאַנאַל אַנאַטיישאַן איז צו פאַרגלייַכן די ציל פּראָטעין סיקוואַנס מיט די פאַנגקשאַנאַל פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס. ניצן דזשין פונקציע דאַטאַבייסיז אַזאַ ווי GO, COG, KEGG, eggNOG, עטק, פאַרשידענע פאַנגקשאַנאַל אַנאָטאַציע אַנאַליזעס קענען זיין דורכגעקאָכט אויף פּראָטעינס יידענאַפייד דורך מאַקראָפּראָטעאָמעס. אַנאַטיישאַן מכשירים אַרייַננעמען Blast2GO, DAVID, KOBAS, עטק.

05קיצער און אַוטלוק

מייקראָואָרגאַניזאַמז שפּילן אַ וויכטיק ראָלע אין מענטש געזונט און קרענק. אין די לעצטע יאָרן, מעטאַפּראָטעאָמיקס איז געווארן אַ וויכטיק טעכניש מיטל צו לערנען די פונקציע פון ​​​​מייקראָוביאַל קהילות. דער אַנאַליטיקאַל פּראָצעס פון מעטאַפּראָטאָמיקס איז ענלעך צו דעם פון פּראָטעאָמיקס פון איין מינים, אָבער רעכט צו דער קאַמפּלעקסיטי פון די פאָרשונג אַבדזשעקץ פון מעטאַפּראָטאָמיקס, ספּעציפיש פאָרשונג סטראַטעגיעס דאַרפֿן צו זיין אנגענומען אין יעדער אַנאַליסיס שריט, פֿון מוסטער פּרעטרעאַטמענט, דאַטן אַקוואַזישאַן צו דאַטן אַנאַליסיס. דערווייַל, דאַנק צו די פֿאַרבעסערונג פון פּרעטרעאַטמענט מעטהאָדס, די קעסיידערדיק כידעש פון מאַסע ספּעקטראָמעטרי טעכנאָלאָגיע און די גיך אַנטוויקלונג פון ביאָינפאָרמאַטיקס, מעטאַפּראָטעאָמיקס האט געמאכט גרויס פּראָגרעס אין לעגיטימאַציע טיפקייַט און אַפּלאַקיישאַן פאַרנעם.

אין דעם פּראָצעס פון פאַר-באַהאַנדלונג פון מאַקראָפּראָטעאָמע סאַמפּאַלז, די נאַטור פון די מוסטער מוזן זיין קאַנסידערד ערשטער. ווי צו צעטיילן מייקראָואָרגאַניזאַמז פון ינווייראַנמענאַל סעלז און פּראָטעינס איז איינער פון די שליסל טשאַלאַנדזשיז פֿאַר מאַקראָפּראָטעאָמעס, און די וואָג צווישן צעשיידונג עפעקטיווקייַט און מייקראָוביאַל אָנווער איז אַ דרינגלעך פּראָבלעם צו זיין סאַלווד. צווייטנס, די פּראָטעין יקסטראַקשאַן פון מייקראָואָרגאַניזאַמז מוזן נעמען אין חשבון די דיפעראַנסיז געפֿירט דורך די סטראַקטשעראַל העטעראַדזשיניאַטי פון פאַרשידענע באַקטיריאַ. מאַקראָפּראָטעאָמע סאַמפּאַלז אין די שפּור קייט אויך דאַרפן ספּעציפיש פאַר-באַהאַנדלונג מעטהאָדס.

אין טערמינען פון מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ, מיינסטרים מאַסע ספּעקטראָומאַטרי ינסטראַמאַנץ האָבן דורכגעקאָכט אַ יבערגאַנג פון מאַסע ספּעקטראָומאַטערז באזירט אויף אָרביטראַפּ מאַסע אַנאַליזערז אַזאַ ווי LTQ-Orbitrap און Q Exactive צו מאַסע ספּעקטראָומאַטערז באזירט אויף יאָן מאָביליטי קאַפּאַלד צייט-פון-פלי מאַסע אַנאַליזערז אַזאַ ווי timsTOF Pro . די TimsTOF סעריע פון ​​ינסטראַמאַנץ מיט יאָן מאָביליטי ויסמעסטונג אינפֿאָרמאַציע האָבן הויך דיטעקשאַן אַקיעראַסי, נידעריק דיטעקשאַן שיעור און גוט ריפּיטאַביליטי. זיי האָבן ביסלעכווייַז ווערן וויכטיק ינסטראַמאַנץ אין אַ פאַרשיידנקייַט פון פאָרשונג פעלדער וואָס דאַרפן מאַסע ספּעקטראָמעטרי דיטעקשאַן, אַזאַ ווי די פּראָטעאָמע, מעטאַפּראָטעאָמע, און מעטאַבאָלאָמע פון ​​איין מינים. עס איז כדאי צו באמערקן אַז פֿאַר אַ לאַנג צייַט, די דינאַמיש קייט פון מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ האט לימיטעד די פּראָטעין קאַווערידזש טיפקייַט פון מעטאַפּפּראָטעאָמע פאָרשונג. אין דער צוקונפֿט, מאַסע ספּעקטראָמעטרי ינסטראַמאַנץ מיט אַ גרעסערע דינאַמיש קייט קענען פֿאַרבעסערן די סענסיטיוויטי און אַקיעראַסי פון פּראָטעין לעגיטימאַציע אין מעטאַפּראָטעאָמעס.

פֿאַר מאַסע ספּעקטראָמעטרי דאַטן אַקוואַזישאַן, כאָטש די DIA דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדע איז וויידלי אנגענומען אין די פּראָטעאָמע פון ​​אַ איין מינים, רובֿ קראַנט מאַקראָפּראָטעאָמע אַנאַליזעס נאָך נוצן די DDA דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדע. די DIA דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדע קענען גאָר באַקומען די פראַגמענט יאָן אינפֿאָרמאַציע פון ​​די מוסטער, און קאַמפּערד מיט די DDA דאַטן אַקוואַזישאַן מאָדע, עס האט די פּאָטענציעל צו באַקומען די פּעפּטייד אינפֿאָרמאַציע פון ​​די מאַקראָפּראָטעאָמע מוסטער. אָבער, רעכט צו דער הויך קאַמפּלעקסיטי פון DIA דאַטן, די אַנאַליסיס פון DIA מאַקראָפּראָטעאָמע דאַטן איז נאָך פייסינג גרויס שוועריקייטן. די אַנטוויקלונג פון קינסטלעך סייכל און טיף לערנען איז געריכט צו פֿאַרבעסערן די אַקיעראַסי און קאַמפּליטנאַס פון DIA דאַטן אַנאַליסיס.

אין די דאַטן אַנאַליסיס פון מעטאַפּראָטאָמיקס, איינער פון די שליסל סטעפּס איז די קאַנסטראַקשאַן פון פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס. פֿאַר פאָלקס פאָרשונג געביטן אַזאַ ווי ינטעסטאַנאַל פלאָראַ, ינטעסטאַנאַל מיקראָביאַל דאַטאַבייסיז אַזאַ ווי IGC און HMP קענען זיין געוויינט, און גוט לעגיטימאַציע רעזולטאַטן האָבן שוין אַטשיווד. פֿאַר רובֿ אנדערע מעטאַפּראָטעאָמיקס אַנאַליזעס, די מערסט עפעקטיוו דאַטאַבייס קאַנסטראַקשאַן סטראַטעגיע איז נאָך צו פאַרלייגן אַ מוסטער-ספּעציפיש פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס באזירט אויף מעטאַגענאָמיק סיקוואַנסינג דאַטן. פֿאַר מייקראָוביאַל קהל סאַמפּאַלז מיט הויך קאַמפּלעקסיטי און גרויס דינאַמיש קייט, עס איז נייטיק צו פאַרגרעסערן די סיקוואַנסינג טיפקייַט צו פאַרגרעסערן די לעגיטימאַציע פון ​​נידעריק-זעת מינים, און דערמיט ימפּרוווינג די קאַווערידזש פון די פּראָטעין סיקוואַנס דאַטאַבייס. ווען סיקוואַנסינג דאַטן איז פעלנדיק, אַ יטעראַטיווע זוכן אופֿן קענען זיין געוויינט צו אַפּטאַמייז די ציבור דאַטאַבייס. אָבער, יטעראַטיווע זוכן קען ווירקן FDR קוואַליטעט קאָנטראָל, אַזוי די זוכן רעזולטאַטן דאַרפֿן צו זיין קערפאַלי אָפּגעשטעלט. אין אַדישאַן, די אָנווענדלעך פון בעקאַבאָלעדיק FDR קוואַליטעט קאָנטראָל מאָדעלס אין מעטאַפּראָטעאָמיקס אַנאַליסיס איז נאָך ווערט יקספּלאָרינג. אין טערמינען פון זוכן סטראַטעגיע, די כייבריד ספּעקטראַל ביבליאָטעק סטראַטעגיע קענען פֿאַרבעסערן די קאַווערידזש טיפקייַט פון DIA מעטאַפּראָטאָמיקס. אין די לעצטע יאָרן, די פּרעדיקטעד ספּעקטראַל ביבליאָטעק דזשענערייטאַד באזירט אויף טיף לערנען האט געוויזן העכער פאָרשטעלונג אין DIA פּראָטעאָמיקס. אָבער, מעטאַפּראָטעאָמע דאַטאַבייסיז אָפט אַנטהאַלטן מיליאַנז פון פּראָטעין איינסן, וואָס רעזולטאטן אין אַ גרויס וואָג פון פּרעדיקטעד ספּעקטראַל לייברעריז, קאַנסומז אַ פּלאַץ פון קאַמפּיוטינג רעסורסן און רעזולטאַטן אין אַ גרויס זוכן פּלאַץ. אין אַדישאַן, די ענלעכקייט צווישן פּראָטעין סיקוואַנסיז אין מעטאַפּראָטעאָמעס וועריז זייער, וואָס מאכט עס שווער צו ענשור די אַקיעראַסי פון די ספּעקטראַל ביבליאָטעק פּראָגנאָז מאָדעל, אַזוי פּרעדיקטעד ספּעקטראַל לייברעריז זענען נישט וויידלי געניצט אין מעטאַפּראָטעאָמיקס. אין אַדישאַן, נייַע אַנאַטיישאַן סטראַטעגיעס פֿאַר פּראָטעינס און קלאַסאַפאַקיישאַן מוזן זיין דעוועלאָפּעד צו צולייגן צו מעטאַפּראָטעאָמיקס אַנאַליסיס פון פּראָטעינס וואָס זענען ענלעך צו זייער סיקוואַנס.

אין קיצער, ווי אַן ימערדזשינג מיקראָביאָמע פאָרשונג טעכנאָלאָגיע, מעטאַפּראָטעאָמיקס טעכנאָלאָגיע האט אַטשיווד באַטייַטיק פאָרשונג רעזולטאַטן און אויך האט אַ ריזיק אַנטוויקלונג פּאָטענציעל.