食品微生物专题 | 2篇！多组学技术搭配如何进行食品领域方案设计？

2022-03-01 01:20:05, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

多组学项目的方案设计要对研究的方向与现象深入了解与分析，根据不同的研究目的在基因组、转录组和蛋白组、代谢组层面侧重合理选择适合技术。

多组学技术在食品中领域的应用。可用于不同产地、不同生长阶段、不同处理方式等的样本中的多组学的定性与定量研究；可用于描述不同样本间的差异，定位关键的品质成分或功能活性物质，有助于食品的品质管理。

1、基于转录组结合蛋白组发表呕吐毒素（DON）的新研究

2021年10月，中国科学院上海营养与健康研究所武爱波研究员课题组在《Ecotoxicology and Environmental Safety》（IF:6.291）发表了题为“Mycotoxin deoxynivalenol affects myoblast differentiation via downregulating cytoskeleton and ECM-integrin-FAK-RAC-PAK signaling pathway"的研究成果，通过转录组学和蛋白质组学研究方法，探究了脱氧雪腐镰刀菌烯醇（简称：DON，俗称呕吐毒素）对成肌细胞分化的影响，发现了DON处理使得细胞骨架蛋白和细胞外基质蛋白表达下调，并抑制ECM-integrin-FAK-RAC-PAK信号通路的机理，为食品和饲料污染的防治提供了理论依据。其中转录组学和蛋白组学由欧易/鹿明生物提供技术支持。

● 研究背景

脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)作为一种常见的B型毛孢霉菌毒素，因其高污染水平和生长迟缓、体重减轻、厌食和神经内分泌变化等一系列毒性作用而受到广泛关注。成肌细胞分化为肌管是肌肉发育的一个基本过程，细胞骨架形成和细胞外基质(ECM)-整合素受体相互作用与成肌细胞分化密切相关。DON在谷物储存和加工过程中保持相对稳定，使其能够在人类和动物的食物中持续存在，已有研究发现在动物肌肉中检测到DON，提示DON有可能会影响肌肉的发育。但有关DON对肌肉毒性的研究较少，其分子机制尚不清楚。

● 研究思路

（点击图片查看大图）

● 组学研究结果

1.转录组学和蛋白质组学分析

作者通过转录组学和蛋白质组学分析暴露于DON的C2C12细胞的差异基因（DEG）。转录组学鉴定了2387个DEG，其中72%被下调。蛋白质组学鉴定出402个DEG，其中74%被下调。GO和KEGG通路富集分析表明，转录组学DEGs参与了“男性主要性征的发育”、“骨骼肌肌球蛋白粗丝组装”和“骨骼肌收缩的调节”等生物学过程。最富集的通路是“ECM-受体相互作用”、“人乳头瘤病毒感染”和“蛋白质消化吸收”。蛋白质组学分析中，富集到了“肌肉收缩”、“中间丝解聚”和“脂质转运”等生物学过程。细胞成分中富集到“细胞骨架”、“细胞外基质”和“整合素”。KEGG通路富集到“新霉素、卡那霉素和庆大霉素生物合成”、“系统性红斑狼疮”、“ECM-受体相互作用”和“蛋白质消化和吸收”。前两条通路与上调的DEG相关，而后两条通路与下调的DEG相关，这与转录组学结果一致。

2.差异基因的整合分析

为了更好地了解DON对C2C12细胞分化的影响，作者进行了转录组学和蛋白质组学的整合分析。共鉴定了149个共同的显著差异基因（co-DEG），其中91%被共下调（图3A）。15%的co-DEG属于真核细胞骨架，其中大部分属于肌动蛋白丝，少数是中间丝和微管的成分。对co-DEG进行GO分析，生物学过程富集了“骨骼肌肌球蛋白粗丝组装”和“快肌纤维收缩的正向调节”条目。细胞组分中富集的前五个条目是“纤维蛋白原复合物”、“细胞外空间”、“细胞外基质”、“细胞外区域”和“蛋白质细胞外基质”，这些都是细胞外成分（图3B）。结果表明，DON主要影响肌肉成分的组成和功能以及多种细胞外成分的表达。通路富集分析富集到了“ECM-受体相互作用”、“蛋白质消化和吸收”、“人乳头瘤病毒感染”和“粘着斑”等通路（图3C）。

图3 | 转录组学和蛋白质组学的整合分析

3.DON下调各种细胞骨架基因的表达

由于成肌细胞分化取决于细胞骨架的动态，作者进行了RT-qPCR以检测各种骨骼肌相关细胞骨架蛋白的基因表达。如图4A所示，当细胞用1μM DON处理时，肌动蛋白α(actn3)和肌钙蛋白的表达显著降低。Acta1、肌球蛋白重链、mylpf、nes、myot、tmsb4x和vim响应于较低浓度的DON显著降低。与骨骼无关的细胞骨架基因，如acta2和β-肌动蛋白的表达没有显著差异。在这些下调基因中，除acta1（属于肌动蛋白）、nes和vim（属于中间丝）外，所有基因均属于肌动蛋白结合蛋白，表明DON影响细胞骨架组成，主要作用于肌动蛋白结合蛋白。下一步检测TNNT1、TNNC1、MLC2、ACTA2和β-ACTIN的蛋白表达水平。与对照组相比，TNNT1、TNNC1和MLC2的表达在1μM DON下显著降低（图4B-C），而ACTA2和β-ACTIN的表达没有显著变化（图4D-E），这与RT-qPCR结果一致。

图4 | 细胞骨架蛋白的表达

● 研究结论

通过了解DON对成肌细胞分化的影响，有助于食品和饲料污染的防治。本文研究表明，即使在安全浓度范围内，DON也会影响成肌细胞的分化，并提供了可能的分子机制（图7）。DON抑制C2C12细胞的分化，其机制涉及细胞活力、细胞骨架蛋白表达和ECM-integrin-FAK-RAC-PAK信号通路的下调。了解DON对成肌细胞分化的影响，有助于食品和饲料污染的防治。

图7 | DON处理后成肌细胞分化的过程和信号通路

2、基因、转录+代谢探究酒酒球菌突变体对酸性环境响应的综合调控机制研究

2021年9月，西北农林科技大学刘树文课题组在《Food Microbiology》（IF:5.516）发表了题为“Integrative multiomics analysis of the acid stress response of Oenococcus oeni mutants at different growth stages"的研究成果，通过全基因组测序，转录组学，代谢组学等多组学分析，研究了来自3个野生型菌株的6个酒酒球菌突变体对酸性环境响应的综合调控机制，揭示了酒酒球菌在高AS生长期间的整体行为变化。

● 研究背景

乳酸菌LAB是一类常见微生物，广泛应用于农业、工业、食品和医学，也是生化、遗传学和分子生物学研究的理想遗传材料。酒酒球菌是从葡萄中分离出来的菌类，是触发葡萄酒发酵中苹果酸-乳酸发酵(MLF)的主要微生物。

环境胁迫会影响酒酒球菌的生长，其中酸胁迫会导致酒酒球菌膜流动性降低，激活H+-ATP酶活性，加速苹果酸和柠檬酸盐利用率。LAB对AS的耐受性受到多种机制的调节，在整个生长期调控AS反应的全部机制仍有待进一步探索。

● 组学研究结果

1. 基因型与表型之间的关系

pH=3.0孵育120h后，b1、a3和c1（耐酸突变体）的细胞密度显著高于相应的野生型菌株SX-1b、SX-1a和CS-1b。与相应的野生型菌株和耐酸突变体相比，b2和SX-1b的细胞密度最低。

来自同一野生型菌株的耐酸突变体b1和酸敏感突变体b2表现出最明显的表型差异。

图1 | pH=3.0 ATB培养基条件下酒酒球菌野生型及突变体的生长活性

全基因组测序在6个突变体的459个基因中发现了1411个SNPs。富集分析显示，这些SNPs在嘌呤代谢、嘧啶代谢、脂肪酸生物合成、脂肪酸代谢、药物代谢和代谢途径方面的检出率存在显著差异。统计分析表明，相同表型的突变体（耐酸突变体）中存在耐酸敏感的相同位点，表明SNPs与其表型密切相关。

图2 | 不同采样点的b1和b2之间DEGs(A)和差异代谢物(B)的总数变化

2.突变体的转录组和代谢组分析

对耐酸突变体b1和酸敏感突变体b2分别在3h、36h和108h进行转录组和代谢组分析，两两比较共检测到550个DEG。图3显示了3个时间点2种突变体的表达差异，结果表明，在不同的生长阶段，酒酒球菌对酸性环境的响应是不同的。

图3 | 转录组学的富集分析结果

在代谢组学方面，三个采样点(b1 vs b2)共积累了446种代谢物，各采样点上调代谢物数量均高于下调代谢物数量。结果表明，在不同的生长阶段，酒酒球菌对酸性环境的响应是不同的。

3.突变体基因组学、转录组学和代谢组学的综合分析

多组学整合分析对于增强对酸应激反应的理解和识别有意义的分子机制集群至关重要。筛选了基因组学、转录组学和代谢组学的整合途径，以研究多种改变如何共同促进酒酒球菌的酸调节。

图4 | 多组分析的综合途径

1）黄色连接线代表基因内 SNP；

2）彩色圆圈代表基因内 SNP 的基因表达水平（红色，上调；绿色，下调；白色，无变化）；

3）橙色框表示 b1 和 b2 突变体之间代谢物的显著差异；

4）蓝框框为检测到的代谢物无显著差异；

5）颜色矩形是三个生长阶段代谢物的相对含量变化（红色，含量较高；

6）绿色，含量较低；白色，无显着变化）。

● 研究结论

本文运用了（基因组学，转录组学，代谢组学）的多组学整合分析表明，酸敏感和耐酸O.oeni突变体的细胞内反应存在显著差异，细胞内差异表达基因和差异代谢物的水平在不同生长阶段也有变化。酒酒球菌突变体对酸性环境响应的综合调控机制，揭示了酒酒球菌在高AS生长期间的整体行为变化。

随着组学新技术的不断涌现，加快了组学研究向定量化，高通量的方向发展，通过对多组学数据的整合分析，已成为科学家探索生命机制的新方向。

本篇通过2篇微生物在食品研究中的应用~

思路一：通过（基因组学、转录组学、代谢组学）的多组学整合分析表明基因突变体的细胞内反应存在显著差异，研究微生物在酸性环境响应的综合调控机制。

思路二：通过微生物毒素的研究探究呕吐毒素的生长发育。利用转录组学和蛋白质组学等组学方法探究呕吐毒素影响肌肉的发育和功能是一种具有创新性的研究文章。

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参考文献：

Bingxuan Jia et al. Mycotoxin deoxynivalenol affects myoblast differentiation via downregulating cytoskeleton and ECM-integrin-FAK-RAC-PAK signaling pathway. Ecotoxicol Environ Saf. 2021 Dec 15;226:112850.

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小七|撰文

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