Galaxy Bioinformatics Platformに実装された臨床メタプロテオミクスワークフローにより、ヒト疾患の根底にある宿主とマイクロバイオームの相互作用を解析

要約

臨床メタプロテオミクスは、ヒトのマイクロバイオームとその疾患への寄与についての洞察を提供します。Galaxyプラットフォームの計算能力を活用して、複雑な質量分析ベースのメタプロテオミクス解析と疾患研究に関連する多様な臨床サンプルタイプの特性評価を容易にするモジュール式バイオインフォマティクスワークフローを開発しました。

要約

臨床メタプロテオミクスは、疾患の基礎にある宿主とマイクロバイオームの相互作用を明らかにします。ただし、このアプローチには課題があります。特に、宿主タンパク質に比べて存在量が少ない微生物タンパク質の特性評価は困難です。その他の大きな課題は、非常に大規模なタンパク質配列データベースを使用することに起因しており、これは、分類学や機能アノテーションの検索、統計解析の実行に加えて、質量分析データからのペプチドおよびタンパク質同定の感度と精度を妨げます。これらの問題に対処するために、カスタムタンパク質配列データベースの生成、ペプチドスペクトルマッチの生成と検証、定量、分類学的および機能的アノテーション、統計解析を組み合わせた、質量分析ベースのメタプロテオミクスのための統合バイオインフォマティクスワークフローを紹介します。このワークフローでは、(微生物タンパク質を優先しながら)ヒトタンパク質の特性評価も可能になるため、疾患における宿主微生物のダイナミクスに関する洞察が得られます。ツールとワークフローはGalaxyエコシステムにデプロイされ、これらの計算リソースの開発、最適化、および普及を可能にします。このワークフローは、鼻咽頭スワブや気管支肺胞洗浄液など、多数の臨床サンプルタイプのメタプロテオミクス解析に適用しています。ここでは、子宮頸部スワブからの残留液の分析を通じて、その有用性を実証します。Galaxy Training Networkでは、完全なワークフローとそれに付随するトレーニングリソースにアクセスでき、専門家でない研究者や経験豊富な研究者がデータを分析するために必要な知識とツールを身に付けることができます。

概要

質量分析(MS)ベースのメタプロテオミクスは、臨床サンプルから微生物およびヒトタンパク質を同定し、定量します。このアプローチは、疾患に対するマイクロバイオームの応答に関する新たな理解をもたらし、宿主とマイクロバイオームの相互作用の潜在的なメディエーターを明らかにします^1,2。臨床サンプルのメタプロテオミクス解析により、マイクロバイオームとその宿主環境との相互作用を明らかにすることができますが、この分野は依然として多くの課題に直面しています。主な課題の1つは、宿主(ヒト)タンパク質が比較的豊富に存在するため、存在量が少ない微生物タンパク質の同定が妨げられていることです。さらに、MSベースのメタプロテオミクスは、非常に大規模なタンパク質配列データベースの使用に依存しています。これらのデータベースは、サンプル中に存在する微生物プロテオームで構成されており、その結果、数百万の配列を含む大規模なデータベースが生まれます。トリプティックに消化されたタンパク質からタンデム質量分析(MS/MS)スペクトルを作製した後、大規模なタンパク質配列データベースに対してMS/MSスペクトルを検索し、ペプチド配列を各スペクトルに一致させます(ペプチド-スペクトルマッチ、またはPSM)。しかし、感度は低下し、メタプロテオミクス3に使用される大規模なデータベースでは偽陽性の可能性....

プロトコル

MS/MS スペクトルデータは、前述の 21,29,30 のように、機関の理事会が承認したガイドラインおよび規制に従った手順を使用して収集された、匿名化された残留 PTF サンプルから取得されました。

注: 図 1 は、5 つのモジュールで構成される完全なワークフローの概要を示しています。すべての入力、出力、およびソフトウェア・ツールは、 補足表1にまとめられています。

図1:Galaxy内の臨床メタプロテオミクスワークフローモジュールの概要。完全な臨床メ....

結果

ここで説明する一般的なプロトコルは、PTFサンプル²¹のサブセットから得られたMS/MSファイルで実証された。Do et ^al.21 は、Boylan et ^al.29および Afiuni-Zadel et ^al.30 によって記述された手順に従って収集された PTF サンプルから 4 つの MS/MS ファイルを分析しました。このワークフローは、微生物タンパク.......

ディスカッション

臨床メタプロテオミクス研究は、臨床研究にブレークスルーをもたらす可能性がありますが、その実施には依然として課題があります。ほとんどのサンプルでは、微生物タンパク質の存在量が宿主タンパク質に比べて少ないため、非宿主タンパク質の検出と特性評価が妨げられています^6,10。正確なペプチドおよびタンパク.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Collapse Collection	GalaxyP	Galaxy Version 5.1.1	Combines a dataset list collection into a single file (in the order of the list)
Concatenate datasets	GalaxyP	Galaxy Version 0.1.1	Concatenate files tail-to-head
Cut	GalaxyP	Galaxy Version 1.0.2	Cut (select) specified columns from a file
FASTA Merge Files and Filter Unique Sequences	GalaxyP	Galaxy Version 1.2.0	Concatenate FASTA database files together
FastaCLI	GalaxyP	Galaxy Version 4.0.41+galaxy1	Appends decoy sequences to FASTA files
FASTA-to-Tablular	GalaxyP	Galaxy Version 1.1.0	Convert FASTA-formatted sequences to TAB-delimited format
Filter	GalaxyP	Galaxy Version 1.1.1	Filter columns using simple expressions
Filter Tabular	GalaxyP	Galaxy Version 3.3.0	Filter a tabular file via line filters
Galaxy Europe (EU) server	GalaxyP		https://usegalaxy.eu/
Group	GalaxyP	Galaxy Version 2.1.4	Group a file by a particular column and perform aggregate functions
Identification Parameters	GalaxyP	Galaxy Version 4.0.41+galaxy1	Set identification parameters for SearchGUI/PeptideShaker
Learning Pathway: Clinical metaproteomics workflows within Galaxy	GalaxyP		https://training.galaxyproject.org/training-material/learning-pathways/clinical-metaproteomics.html
MaxQuant	GalaxyP	Galaxy Version 2.0.3.0+galaxy0 (Discovery module); Galaxy Version 1.6.17.0+galaxy4 (Quantification module)	Quantitative proteomics software package for analysis of large mass spectrometric data files
MetaNovo	GalaxyP	Galaxy Version 1.9.4+galaxy4	Search MS/MS data against a FASTA database (of known proteins) to produce a targeted database (of matched proteins) for mass spectrometry analysis
msconvert	GalaxyP	Galaxy Version 3.0.20287.2	Convert and/or filter mass spectrometry files
MSstatsTMT	GalaxyP	Galaxy Version 2.0.0+galaxy1	R-based package for detection of differentially abundant proteins in shotgun mass spectrometry-based proteomic experiments using tandem mass tag (TMT) labeling
PepQuery2	GalaxyP	Galaxy Version 2.0.2+galaxy0	Peptide-centric search engine for identification and/or validating known and novel peptides of interest
PeptideShaker	GalaxyP	Galaxy Version 2.0.33+galaxy1	Interpret results from SearchGUI for protein identification
Protein Database Downloader	GalaxyP	Galaxy Version 0.3.4	Download specified protein sequences as a FASTA file
Query Tabular	GalaxyP	Galaxy Version 3.3.0	Load tabular files intoa  SQLite database
Remove beginning	GalaxyP	Galaxy Version 1.0.0	Remove the specified number of (header) lines from a file
SearchGUI	GalaxyP	Galaxy Version 4.0.41+galaxy1	Run search engines on MGF peak lists and prepare results for input to Peptide Shaker
Select	GalaxyP	Galaxy Version 1.0.4	Select lines that match an expression
Unipept	GalaxyP	Galaxy Version 4.5.1	Retrieve UniProt entries and taxonomic information for tryptic peptides
UniProt	GalaxyP	Galaxy Version 2.3.0	Download proteome as a XML (UniProtXML) or FASTA file from UniProtKB