腸道微生態及其產物的失調與炎癥性腸病(IBD)等胃腸道疾病的發生發展緊密相關。然而,在龐大的腸道微生物基因庫中，絕大部分基因及其產物的功能及活性尚未被解析，其極大地限制了我們對發病機制的理解以及新型腸道微生態制劑的開發。鑒于微生物組與人類腸道和免疫系統的長期共同進化關系，這些未知產物很有可能具有與健康相關的生物活性。這也強調了在完整微生態的條件下，體內微生物組生物活性與體外功能實驗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物成為一個亟待解決的問題。
2022年5月25日, 哈佛大學陳曾熙公共衛生學院Curtis Huttenhower教授領導的合作團隊在Nature上發表了題為Discovery of bioactive microbial gene products in inflammatory bowel disease的研究論文(第一作者張艷聰博士)，研發了一套嶄新的鑒別具有潛在生物活性的微生物基因組產物的計算平臺MetaWIBELE，系統地鑒別出大量未被報道的與IBD緊密相關的微生物蛋白質家族，極大地拓展了IBD微生物制劑研發的潛在靶點和策略。
首先，研發了一種嶄新的計算方法- MetaWIBELE(https://huttenhower.sph.harvard.edu/metawibele/)來大規模鑒別微生物群落中具有潛在生物活性的基因產物。MetaWIBELE基于宏基因組拼接的蛋白家族，結合全局同源性、局部同源性以及非同源性等方法對其進行功能和系統分類解析，進而綜合考慮蛋白家族的生態分布及其與環境或表型的統計相關性(例如與IBD的相關性)來預測其潛在的生物活性。作者利用MetaWIBELE對“整合人類微生物組計劃”(iHMP2或者HMP2)的1,595宏基因組數據進行分析，鑒別出160萬個蛋白家族，其中70%以上功能未被解析(即未表征蛋白)，約45%的蛋白家族在現有數據庫未找到顯著同源蛋白(即新蛋白)，它們代表了人類腸道微生物組的很大一部分未知功能。同時，作者基于表征和未表征蛋白的共豐度圖譜，對42%的新蛋白進行了分類起源推斷，極大地拓展了常見腸道菌群的泛基因組。
隨后，鑒別出>340,000與IBD緊密相關的蛋白家族。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，表明了這些未知蛋白的潛在功能，極大地拓展了我們對于具有重要功能的微生物遺傳物質的理解。同時，綜合利用微生物多組數據，鑒別出的重要蛋白家族的潛在活性在宏轉錄組和宏蛋白組中得到驗證。通過對具有功能注釋的蛋白家族進行富集分析，作者發現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程或者多糖利用過程(無論來自于飲食或者宿主衍生)。作者通過系統地鑒定與炎癥相關的蛋白家族的潛在活性，一方面證實了現有的機制假設，另一面也開辟了多種在人體腸道中具有治療潛力的新途徑。
最后，結合宏轉錄組數據、蛋白質二級和三級結構分析以及分子實驗，對參與細胞間通訊的蛋白質子集進行了生物活性驗證。作者發現了一種新型促炎腸桿菌科菌毛組分，其呈現出特異的免疫原性，極大地富集在了具有炎癥的IBD病人中。相反，在沒有炎癥的對照組中，作者鑒別出一類新型的胞外類血管性血友病因子的同源蛋白，發現其在健康人體中，有助于維持擬桿菌生物膜在黏膜中的穩定性。
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
總的來說，該研究首次系統性地鑒別了人類微生物組中大量未被解析的基因及其產物，并評估了這些微生物基因產物在IBD中潛在的生物活性，為微生物制劑勘探和治療先導靶向提供嶄新思路。相關的新方法 - MetaWIBELE可適用于任何人類及環境微生物群落的研究，為探索各類微生物生態系統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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