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探索腸道菌群中的“未知”

  腸道微生態(tài)及其產(chǎn)物的失調(diào)與炎癥性腸病(IBD)等胃腸道疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。然而,在龐大的腸道微生物基因庫(kù)中,絕大部分基因及其產(chǎn)物的功能及活性尚未被解析,其極大地限制了我們對(duì)發(fā)病機(jī)制的理解以及新型腸道微生態(tài)制劑的開(kāi)發(fā)。鑒于微生物組與人類(lèi)腸道和免疫系統(tǒng)的長(zhǎng)期共同進(jìn)化關(guān)系,這些未知產(chǎn)物很有可能具有與健康相關(guān)的生物活性。這也強(qiáng)調(diào)了在完整微生態(tài)的條件下,體內(nèi)微生物組生物活性與體外功能實(shí)驗(yàn)之間還存在巨大差距和未知。如何鑒定具有潛在生物活性的微生物基因產(chǎn)物成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

  2022年5月25日, 哈佛大學(xué)陳曾熙公共衛(wèi)生學(xué)院Curtis Huttenhower教授領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表了題為Discovery of bioactive microbial gene products in inflammatory bowel disease的研究論文(第一作者張艷聰博士),研發(fā)了一套嶄新的鑒別具有潛在生物活性的微生物基因組產(chǎn)物的計(jì)算平臺(tái)MetaWIBELE,系統(tǒng)地鑒別出大量未被報(bào)道的與IBD緊密相關(guān)的微生物蛋白質(zhì)家族,極大地拓展了IBD微生物制劑研發(fā)的潛在靶點(diǎn)和策略。

  首先,研發(fā)了一種嶄新的計(jì)算方法- MetaWIBELE(https://huttenhower.sph.harvard.edu/metawibele/)來(lái)大規(guī)模鑒別微生物群落中具有潛在生物活性的基因產(chǎn)物。MetaWIBELE基于宏基因組拼接的蛋白家族,結(jié)合全局同源性、局部同源性以及非同源性等方法對(duì)其進(jìn)行功能和系統(tǒng)分類(lèi)解析,進(jìn)而綜合考慮蛋白家族的生態(tài)分布及其與環(huán)境或表型的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性(例如與IBD的相關(guān)性)來(lái)預(yù)測(cè)其潛在的生物活性。作者利用MetaWIBELE對(duì)“整合人類(lèi)微生物組計(jì)劃”(iHMP2或者HMP2)的1,595宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,鑒別出160萬(wàn)個(gè)蛋白家族,其中70%以上功能未被解析(即未表征蛋白),約45%的蛋白家族在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)未找到顯著同源蛋白(即新蛋白),它們代表了人類(lèi)腸道微生物組的很大一部分未知功能。同時(shí),作者基于表征和未表征蛋白的共豐度圖譜,對(duì)42%的新蛋白進(jìn)行了分類(lèi)起源推斷,極大地拓展了常見(jiàn)腸道菌群的泛基因組。

  隨后,鑒別出>340,000與IBD緊密相關(guān)的蛋白家族。這些蛋白家族在IBD病人的腸道炎癥方面具有潛在的生物活性,其中一半以上的基因家族未被功能注釋?zhuān)砻髁诉@些未知蛋白的潛在功能,極大地拓展了我們對(duì)于具有重要功能的微生物遺傳物質(zhì)的理解。同時(shí),綜合利用微生物多組數(shù)據(jù),鑒別出的重要蛋白家族的潛在活性在宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組中得到驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)具有功能注釋的蛋白家族進(jìn)行富集分析,作者發(fā)現(xiàn)具有較大生物活性潛力的蛋白主要富集到了高度特異的代謝過(guò)程或者多糖利用過(guò)程(無(wú)論來(lái)自于飲食或者宿主衍生)。作者通過(guò)系統(tǒng)地鑒定與炎癥相關(guān)的蛋白家族的潛在活性,一方面證實(shí)了現(xiàn)有的機(jī)制假設(shè),另一面也開(kāi)辟了多種在人體腸道中具有治療潛力的新途徑。

  最后,結(jié)合宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)分析以及分子實(shí)驗(yàn),對(duì)參與細(xì)胞間通訊的蛋白質(zhì)子集進(jìn)行了生物活性驗(yàn)證。作者發(fā)現(xiàn)了一種新型促炎腸桿菌科菌毛組分,其呈現(xiàn)出特異的免疫原性,極大地富集在了具有炎癥的IBD病人中。相反,在沒(méi)有炎癥的對(duì)照組中,作者鑒別出一類(lèi)新型的胞外類(lèi)血管性血友病因子的同源蛋白,發(fā)現(xiàn)其在健康人體中,有助于維持?jǐn)M桿菌生物膜在黏膜中的穩(wěn)定性。

 探索腸道菌群中的“未知”

  IBD微生物組中存在大量功能未被解析且具有潛在生物活性的蛋白家族

  總的來(lái)說(shuō),該研究首次系統(tǒng)性地鑒別了人類(lèi)微生物組中大量未被解析的基因及其產(chǎn)物,并評(píng)估了這些微生物基因產(chǎn)物在IBD中潛在的生物活性,為微生物制劑勘探和治療先導(dǎo)靶向提供嶄新思路。相關(guān)的新方法 - MetaWIBELE可適用于任何人類(lèi)及環(huán)境微生物群落的研究,為探索各類(lèi)微生物生態(tài)系統(tǒng)中未知蛋白功能提供了全新的研究思路。

  原文鏈接:

  https://doi.org/10.1038/s41586-022-04648-7

 

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