年1月欧易/鹿明生物合作客户中国航天员中心李勇枝教授课题组在BMCGenomics发表了题为“IntegratedproteomicandmetabolomicanalysistostudytheeffectsofspaceflightonCandidaalbicans”的研究成果，通过蛋白质组学和代谢组学研究方法，探究了航天过程对白色念珠菌的影响机理，数据为评估白色念珠菌对宇航员的危害、阐明相关机制及预防相关疾病提供了理论依据。
中文标题：整合蛋白质组学和代谢组学分析研究航天对白色念珠菌的影响研究对象：白色念珠菌发表期刊：BMCGenomics影响因子：3.发表时间：年1月合作单位：中国航天员中心运用生物技术：蛋白质组学(由鹿明生物提供技术支持)、代谢组学
研究背景
近年来，随着空间技术的发展，微生物空间安全已成为研究热点。白色念珠菌是一种常见的条件病原体，通常寄生在人的皮肤、口腔、泌尿道和生殖系统上。白色念珠菌的致病性可能会随着外部环境的变化而改变。据报道，包括白色念珠菌在内的微生物在国际空间站中的增殖速度更快，从而增加了感染的风险。并且太空环境可能会改变微生物的生理和毒力。
此外，对宇航员的免疫学调查还发现了包括淋巴细胞增殖、细胞因子产生和白细胞亚群的重新分布等失调。综合来讲，白色念珠菌的存在对宇航员的健康构成了潜在威胁。然而，关于空间环境下白色念珠菌的分子机制变化知之甚少。此项研究中，作者采用了蛋白质组学和代谢组学相结合的方法来研究实践十号卫星携带的白色念珠菌，这是首次探索航天环境对白色念珠菌影响的多组学研究。
研究思路
研究结果
1.航天环境对白色念珠菌的影响
实验组白色念珠菌暴露于太空环境后，于SDB培养基中复苏，并通过测量OD评估其存活率。对照组为地面上培养的白色念珠菌。与对照组相比，实验组白色念珠菌增殖能力变强（图1A）、生物膜量变大（图1C）、形态发生变化（丝状形态变多，图1D）、抗氧化能力增强（图1E）。但是，两组白色念珠菌在耐酸、耐碱、耐酒精和耐盐方面没有发现显著差异。而毒力实验的结果显示，与对照组相比，实验组具有更强的细胞毒性。总而言之，暴露于航天环境后，白色念珠菌的增殖率、生物膜形成量、抗氧化能力和细胞毒性都增加了。
图1
航天环境对白色念珠菌的影响
（A）白色念珠菌生长曲线
（B）白色念珠菌菌落皱褶形成实验
（C）生物膜相对形成量
（D）白色念珠菌细胞形态的扫描电镜实验结果
（E）抗氧化能力比较（0.%过氧化氢）*P＜0.05
2.白色念珠菌的蛋白质组学分析
TMT蛋白质组学共鉴定出种蛋白质，并定量了种蛋白质。与对照组相比，实验组中有种蛋白上调和种蛋白下调（adjustedP0.05;foldchange≥1.2;图2A）。聚类分析（图2B）和主成分分析（图2C）发现实验组和对照组区分显著，这反映了暴露于航天环境后白色念珠菌中蛋白质表达的显著变化。为了确定航天环境下白色念珠菌的生物学功能变化，作者用差异表达蛋白进行了KEGG富集分析（图2D）。在实验组的种上调蛋白中，富集到了核糖体和DNA复制通路，这说明实验组白色念珠菌的增殖速率增加。此外，碱基切除修复通路也被富集，该通路与DNA损伤修复有关，这可以解释实验组抗氧化能力的增强。在实验组下调蛋白中，富集到了多个代谢通路（例如碳代谢，次生代谢物的生物合成，乙醛酸酯和二羧酸酯代谢，丙酸酯代谢，苯丙氨酸代谢，酪氨酸代谢和脂肪酸降解），而硫代谢通路相关蛋白却在实验组上调，这反映了实验组白色念珠菌中复杂的代谢变化。
图2
白色念珠菌蛋白质组学分析
（A）差异蛋白火山图
（B）白色念珠菌蛋白质表达谱聚类分析
（C）白色念珠菌蛋白质表达谱PCA分析
（D）KEGG富集分析
3.白色念珠菌的代谢组学分析
为了研究航天对代谢的影响，作者使用UPLC/MS的代谢组学方法对白色念珠菌中的代谢物进行了非靶向代谢组学分析。在白色念珠菌的实验组和对照组中共鉴定出个峰。OPLS-DA分析鉴定出五个显著差异特征峰（P0.05，VIP1）。其中实验组有2个上调的代谢物，3个下调的代谢物（图3A和B）。整合分析蛋白质组学和代谢组学结果，发现嘌呤代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及丙氨酸，天冬氨酸谷氨酸代谢这三个通路中的蛋白质和代谢物在实验组中发生变化。
图3
白色念珠菌差异代谢物
（A）实验组上调代谢物散点图
（B）实验组下调代谢物散点图
相关讨论
白色念珠菌是一种机会致病性酵母菌，通常以共生生物的形式存在，但在多种条件下对免疫功能低下的个体可能具有致病性。长期太空飞行可能会对宇航员的免疫系统产生不利影响。先前报道[参考文献1-2]模拟微重力可极大地促进了白色念珠菌的生长速度，且其生长导致生物体的丝状形式增加，与致病性增强相一致。这些研究表明，空间环境中存在白色念珠菌可能会威胁宇航员的健康。
本文作者探索了暴露于太空环境后白色念珠菌的表型变化。研究观察到实验组中白色念珠菌的增殖速率和丝状形态增加，这与以前的报道一致。此外，文章发现实验组白色念珠菌的生物膜相对形成、抗氧化能力和细胞毒性都增加了。对白色念珠菌的蛋白质组学和代谢组学结果综合分析表明，半胱氨酸和蛋氨酸在实验组中被积累（包括合成酶的上调、消耗酶的下调、蛋氨酸挽救途径的上调等）。有趣的是，许多研究报道[参考文献3-4]蛋氨酸和半胱氨酸生物合成途径中的大多数基因在白色念珠菌生物膜形成过程中均上调。蛋白质组学和代谢组学整合分析结果与观察到白色念珠菌表型变化相一致。
研究结论
本文结合蛋白质组学和代谢组学技术探索了航天环境对白色念珠菌的影响。与对照组相比，航天组的白色念珠菌中增殖速率、生物膜形成、抗氧化能力、细胞毒性和丝状形态增加。蛋白质组学分析鉴定出种蛋白质，且实验组和对照组的蛋白质表达谱可显著区分。差异蛋白富集分析表明，核糖体、DNA复制、碱基切除修复和硫代谢通路相关蛋白在实验组中显著上调，而许多代谢过程中的蛋白质则在实验组中显著下调。
蛋白质组学和代谢组学的结合分析显示，实验组白色念珠菌中半胱氨酸和蛋氨酸被积累。本文首次应用蛋白质组学和代谢组学研究航天环境下白色念珠菌的分子变化，结果发现分子变化与表型变化相互印证，该数据有助于评估白色念珠菌对宇航员的危害、阐明相关机制及预防相关疾病。
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随着载人航天技术的不断发展，空间微生物安全问题已成为相关领域的研究热点。以往研究方向多集中于航天环境对微生物的表型影响，而基于多层组学的机制研究较少。本文是中国航天员中心李勇枝团队在实践十号卫星中微生物研究系列中的一篇，作者通过蛋白质组学和代谢组学技术对航天环境影响白色念珠菌的机制进行了深入研究，并与表型实验结果相互印证，其严谨的实验思路和深入地研究结果，值得借鉴和参考。
部分参考文献：
[1]JiangW,XuB,YiY,etal.EffectsofsimulatedmicrogravitybyRCCSonthebiologicalfeaturesofC.albicans[J].IntJClinExpPathol,,7(7):-90.
[2]AltenburgSD,Nielsen-PreissSM,HymanLE.IncreasedfilamentousgrowthofC.albicansinsimulatedmicrogravity[J].GenomicsProteomicsBioinformatics,,6(1):42-50.
[3]LiDD,WangY,DaiBD,etal.ECM17-dependentmethionine/cysteinebiosynthesiscontributestobiofilmformationinC.albicans[J].FungalGenetBiol,,51:50-9.
[4]Garcia-SanchezS,AubertS,IraquiI,etal.C.albicansbiofilms:adevelopmentalstateassociatedwithspecificandstablegeneexpressionpatterns[J].EukaryotCell,,3(2):-45.
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