1生物系统

生物系统——组成

生物系统很复杂，具有许多调节功能，例如DNA，mRNA，蛋白质，代谢物，以及表观遗传功能（例如DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰（PTM））。这些特征中的每一个都可能受到疾病的影响，并引起细胞信号传导级联和表型的改变。除了宿主对疾病的反应调节机制外，微生物组还可以改变宿主特征的表达，例如它们的基因，蛋白质和/或PTM。

生物系统——疾病

为了深入了解疾病的机制，我们需要研究这些特征及其相互作用。例如，黑色素瘤、肺癌和甲状腺癌等癌症是由BRAF癌基因驱动的。然而，当患者接受抑制BRAF的治疗时，往往会产生耐药性。最近的多组学研究揭示了肿瘤特征的异质性和复杂性，如基因突变、转录组、蛋白质和信号通路。现在人们认识到肿瘤可以绕开治疗而产生耐药性。

生物系统——技术

随着下一代测序和质谱技术的发展，人们越来越需要融合生物特征的能力来研究整个系统。转录组、甲基组、蛋白质组、组蛋白翻译后修饰和微生物组等特征都影响宿主对各种疾病和癌症的反应。由于样品制备步骤、测序所需的材料量和测序深度要求，每个平台都有技术限制。近年来，数据集成方法的发展受到了推动。每种方法都使用诸如概念整合、统计整合、基于模型的整合、网络和路径数据整合等方法来具体整合组学数据的子集。

生物系统——多组学

多组学方法的整合使得对疾病病因学有了更深入的了解，例如：揭示微生物组在减轻或增加疾病风险方面发挥作用的各种方式。双酚A（BPA）是一种大规模生产的化学品，广泛应用于食品包装、塑料和树脂中，双酚A的不完全分解就是一个例子。由于双酚a是一种内分泌干扰物，双酚A已成为日益增长的公共卫生问题。因此，利用微生物手段快速、完全降解双酚A等化合物的研究具有重要意义。

本文讨论每个数据特征的研究设计考虑，基因和蛋白质丰度及其表达率的限制，当前的数据整合方法，以及微生物对基因和蛋白质表达的影响。在开发整合多组学数据的新算法时应考虑的因素。

2从“组学”的角度理解生物细胞过程

不同生物基因数量

生物系统是具有多种调控功能的复杂生物。例如，人类基因组由大约32亿个核苷酸组成，可产生至个蛋白质编码基因，并且通过选择性剪接事件可产生超过万种蛋白质（下图）。

不同的生物有不同数量的基因和蛋白质。例如，在大肠杆菌、酿酒酵母和智人基因组中分别有大约、和个基因。这导致大肠杆菌、酿酒酵母和智人的每个细胞中分别有大约到、和个mRNA分子。线粒体转录物约占多聚腺苷酸化RNA的20%。其他高丰度的转录物包括编码核糖体蛋白质和参与能量代谢的蛋白质的转录物。下图概述了人类DNA、DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰、mRNA和蛋白质的复杂性。

Grawetal.,MolecularOmics

染色质结构和基因/蛋白质调控的概述。DNA通路受DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰（PTM）的调控。调节的每一层也可以通过环境和宿主生物中存在的微生物进行修饰。可以通过使用各种核苷酸和蛋白质/肽测序技术对生物调节的每个水平进行测序。

细胞中蛋白质含量

一个细胞中蛋白质的估计数量约为2.36×（在大肠杆菌中），约为2.3×（在晚期智人细胞中）。在一个细胞的全部蛋白质总数中，最丰富的蛋白质可占蛋白质含量的5-10%，由核糖体蛋白、酰基载体蛋白（ACP）（在脂肪酸生物合成中的功能）组成，分子伴侣和折叠催化剂、糖酵解蛋白质（能量和碳代谢的主干）和肌动蛋白等结构蛋白质。

转录因子是一种低丰度的蛋白质，在细菌中每个细胞的拷贝数为1-，在哺乳动物细胞中为-。

最丰富的蛋白质通常在细菌中有数千个拷贝，在哺乳动物细胞中有数百万个拷贝。由转录因子调控的基因数量取决于其浓度。蛋白质含量取决于生长条件和基因诱导。最后，考虑到微生物与宿主细胞数量的比例（取决于宿主细胞类型）和其他因素，这可能会变得更加复杂

mRNA和蛋白质寿命以及差异

由于仪器检测，动态范围和分子寿命表达的限制，用于各种组学平台的测序技术只能捕获某一时刻某个细胞群体中发生的情况的快照。例如，mRNA转录本和蛋白质的终生表达差异很大。在大肠杆菌中，mRNA的中位寿命为5分钟，在发芽酵母中为20分钟，而对于人参则为分钟。然而，蛋白质的寿命约为1-2天。

转录和翻译的速率因生物体的不同而不同（大肠杆菌：每秒10-个核苷酸（nt）和10-20个氨基酸（aa）/s。智人：6-70nt/s和2aapers；分别为转录和翻译速率）。

对于大肠杆菌来说，一个单一的mRNA转录本在被降解之前可以产生10-个蛋白质。鉴于这一信息，我们可以看到，将我们对组学平台的选择和由此产生的对细胞过程的解释相结合，检测具有更长寿命的蛋白质的机会将增加。

在考虑数据整合研究设计、开发新算法和解释结果时，认识生物体的生物复杂性、分子的动态范围、测序限制以及这些分子的表达寿命非常重要。

3微生物对基因和蛋白质的影响

近年来，微生物组学在宿主健康中的重要性已得到公认。全生物和全基因组的概念对我们如何看待微生物组有着深远的影响，尤其是在治疗方面。这种微生物-宿主相互作用的密切关系可以更明确地称为“微生物群-营养代谢-宿主表观遗传轴”。微生物与宿主相互作用的紧密关系可以更明确地称为“微生物群-营养代谢-宿主表观遗传轴”。

微生物群及其代谢产物可以通过直接修饰组蛋白，改变DNA甲基化谱图和影响而影响宿主表观遗传。非编码RNA的性质（上图）。例如，可以通过改变组蛋白修饰酶的活性和酶底物的水平，通过微生物群来修饰组蛋白。

微生物影响药效

微生物群也可以影响药物的治疗性质。许多前药，即必须进行代谢转化才能在药理上有用的药物，可能会保持无活性（即不存在介导前药向其活性形式转化的微生物群），或者该药物/前药可能无法生物利用。此外，服用NSAIDs（非甾体类抗炎药）的患者可能会促进抗生素耐药菌的优势，因为24％的非处方非处方NSAIDs被抑制。

这些代谢组学效应引起人们对旨在用于人类和农业系统的治疗药物或其他饮食和治疗方案的潜在副作用的担忧。例如，抗生素可以消除产生组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）抑制剂的微生物。这些微生物（如果存在）可以增强调节性T（Treg）细胞，从而有助于抗炎过程。

微生物代谢途径的多样性及其对药物药代动力学和药效学的影响可能部分解释了个体和人群之间药物反应的变化。因此，涉及微生物组的治疗方法可能必须因地制宜。组蛋白可以同时进行变体置换和翻译后修饰（PTM），这些共同构成了“组蛋白密码”。这些局部排列可以影响染色质结构，从而导致转录活性的激活或抑制。

通过饮食，微生物有能力改变宿主的甲基化和PTM谱，并且还可以通过膳食碳水化合物的发酵影响短链脂肪酸（SCFA）的生成。丁酸盐和乙酸盐等SCFAs可抑制脱乙酰酶水平。这意味着由于乙酰化促进转录活性的增加，染色质结构变得越来越松弛。事实上，已经证明微生物可以以位点特异性和组合方式影响宿主组织乙酰化和甲基化染色质状态，甚至影响宿主发育和代谢表型。

微生物参与干预

未来

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