结直肠癌是全球发病率第三、病死率第四的癌症，它是一种多因素引发的疾病，与遗传、免疫、饮食和生活习惯密切相关。人体肠道居住的微生物数量达到1014，其中大多数居住在结直肠（1012个/mL）。越来越多的证据表明肠道微生物失调与结直肠癌的发病密切相关。然而肠道微生物的功能很大程度上是未知的，需要大家去研究。随着高分辨率质谱的发展，宏蛋白质组学成为研究疾病和健康状态下肠道微生物功能的重要手段，它是指对特定时间内环境中所有微生物的所有组成的蛋白质的检测。宏蛋白质组学技术在微生物功能学领域具有重要的作用，是微生物功能学研究的重要方法之一。数据非依赖性采集（DIA）是近几年来兴起的一种新的质谱数据采集方式。基于DIA的定量蛋白质组具有通量高、稳定、准确性好等优点，对于大规模及复杂样品蛋白质组的定量分析具有显著优势。

近日，复旦大学化学系乔亮团队与海军军医大学附属长海医院秦琴课题组、上海易算生物科技有限公司合作，在《npj Biofilms and Microbiomes》上在线发表了题为“Metaproteomics characterizes human gut microbiome function in colorectal cancer”的研究论文，该研究利用DIA非标定量宏蛋白质组学方法分析了结直肠癌患者的肠道微生物功能特征。

我们收集了结直肠癌患者和健康人粪便样本各14份，分离出肠道微生物，然后提取微生物蛋白，进行DIA质谱分析，最后通过生物信息学的方法进行数据分析。

实验设计和流程图

实际分析中，我们发现宏蛋白质组样品的数据分析因为目标物种的庞大，测序的困难，无法实现高效的谱图匹配。为了减少鉴定分析检索空间，我们采用了Human Microbiome Project (HMP) 的600万条序列进行检索，我们总共鉴定到30063个蛋白和91902个肽段，它们分别归属于195个种属。为了确保样品中的蛋白得到有效鉴定，我们进一步采用Peaks的Multiround search结合De Novo策略，对高质量谱图进行了NCBInr全库匹配，最后发现HMP数据库中可以匹配到72.6%的结果，能够在较小的搜索空间中实现尽可能高的序列覆盖。

PEAKS Multiround search的流程

随后通过Spectronaut软件对每例病例进行DIA非标定量宏蛋白质组学分析，实现了对12000多个细菌蛋白的定量检测。

PEAKS Multiround search和spectronaut DIA分析的流程及结果

随后通过统计学分析发现341个差异蛋白，其中124个差异蛋白在结直肠癌患者组表达上调，217个差异蛋白在健康对照组中表达上调。在结直肠癌患者组中，与DNA复制、重组和修复的蛋白表达明显上调。在341个差异蛋白中，27个差异蛋白与铁的摄取和转运相关，42个差异蛋白与氧化应激相关。研究结果表明与健康人群相比，结直肠癌患者肠道微生物的分类和功能都存在差异。在之后的结直肠癌诊断和治疗方面，肠道微生物的功能不可忽略。在进一步的数据分析中我们推测，肠腔内的高浓度铁促进了致病菌的定植，铁可以通过芬顿反应调节氧化应激反应即氧自由基的产生。肠道微环境中的氧化应激反应活跃，导致氧自由基产生增多，而过多的氧自由基会导致肠道益生菌和肠上皮细胞的DNA损伤，进而促进结直肠癌的发生发展。

肠道菌群与人体健康密切相关，希望未来有更多的研究者能关注肠道微生物功能研究，发掘微生物与更多疾病的关系。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41522-020-0123-4