代谢组学技术概述81页PPT

代谢组学技术概述PPT课件

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核磁共振仪器组
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早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。用核磁共振法进行材料成分和结构分析有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点。
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阿斯·第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯年制成的。出手不凡，阿斯顿用这1919顿于个53台装置发现了多种元素同位素，研究了种核素287非放射性元素，发现了天然存在的种，第一次证明原子质量亏损。他为212中的
年诺贝尔化学奖。1922荣获此
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质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也
而且基于质谱的分析技术已长期用于代谢物
指纹图谱分析,具有比较成熟的样品制备、数据采集以及分析等操作程序。
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3 代谢组学数据采集与分析
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与转录组、蛋白质组研究一样, 代谢物可以通过与对照样品的比值进行相对定量。通过添加标准参照物以及对代谢物进行同位素标记, 可以获得绝对定量的代谢组数据集。此外, 数据采集的重复性以及采用何种数据处理方法对代谢组分析结果的影响很大。
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一些组学研究技术的发展极大地推动了系统

药代动力学^^关于代谢组学的概述

代谢组学在中药研究中的应用

前言

代谢组学(metabonomics/metabolomics)是继基因组学和蛋白质组学之后，在20世纪90年代中期发展起来的一门新学科，是系统生物学的重要组成部分。代谢组学的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物，代谢组学则是对其低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科。随着药物研发水平的提高，外源化合物也日渐增多，传统的毒性筛选方法已不能满足当前药物毒理学研究的需求。现代生物学研究表明，大多数病理过程是在基因调控下进行的(迅速坏死除外)。药物往往会直接或间接地引起基因表达的改变，特定基因表达的差异在代谢物水平上被进一步放大。代谢组学是利用高通量检测技术在代谢物的整体水平上检测机体在药物暴露后的各种生理生化指标，结合传统的病理学终点，可以对药物的毒性作用机制进行深入的了解。

多年来，中药多成分、多靶点和作用的多样性，给其作用机制研究、安全性研究和传统理论与现代医学理论的结合认识，以及中医治疗疾病的整体观念的理解等具有相当的困难。而代谢组学是反应机体状况的分子集合与其功能之间的关系，所有对机体健康影响的因素均可反映在代谢组中，即代谢组学具有明显的整体反应性的特点。这一特点与中医治疗疾病的整体观念十分吻合。因此认为应用代谢组学方法研究中药的作用物质基础、作用机制，甚至安全性都是值得探索的。本世纪以来，代谢组学的飞速发展和其应用领域的不断扩展，为中药研究提供了新的研究理念和研究方法。

代谢组学及其技术规范PPT课件

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多元统计分析
可以在不具备样品任何分组信息的情况下对数据进行降维处理，使得样本代谢表型的内在关系变得可视化。
主成分分析（PCA）
聚类分析
偏最小二乘-判别分析（PLS-DA）
在明确样品分类信息的前提下，寻找已知组别间的变量差异或变量之间的相关关系，找出样品分离的最大差异，从而最大程度地反映分类组别之间的差异。
代谢组学及其技术规范
目录
CONTENT
PART 1
代谢组学
PART 2
技术规范
PART 3
总结展望
PART 4
研究内容
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1 代谢组学
1.1 概述 1.2 代谢组学分析技术 1.3 代谢组学数据分析与处理 1.4 代谢组学与中医药 1.5 代谢组学的应用
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1.1 概述
代谢组学是继基因组学，蛋白质组学之后，从整体的角度，通过研究生物体、器官或组织的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在环境因素影响及随时间变化规律的一门新兴学科。
1.4 代谢组学与中医药
不良反应比较多
药物价格比较高
西医药治疗
作用靶点较单一
传统中医药治疗
长期用成药分风较险多大，靶点较多不良反应较少
服药依从性不高
经验用药，配作方用灵靶活点较多理想替代治疗
整理调节，安治全疗有价效格便宜

代谢组学

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代谢组是指一个细胞、代谢组是指一个细胞、组织或器官中所有代谢物的集合, 包含一系列不同化学型的分子, 比如肽的集合, 包含一系列不同化学型的分子, 比如肽、碳水化合物、脂类、核酸以及异源物质的催化产碳水化合物、脂类、核酸以及异源物质的催化产物等。代谢组学来源于代谢组一词, 物等。代谢组学来源于代谢组一词,是研究一个细胞、细胞、组织或器官中所有小分子代谢组分集合的科学。科学。代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量。代谢组学分析可以指示细胞、所有代谢物的含量。代谢组学分析可以指示细胞、组织或器官的生化状态, 组织或器官的生化状态, 协助阐释新基因或未知功能基因的功能, 功能基因的功能, 并且可以揭示生物各代谢网络间的关联性, 帮助人们更系统地认识生物体。间的关联性, 帮助人们更系统地认识生物体。
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代谢组学的发展
• 最早起源于代谢轮廓分析（Metabolic profiling）。早最早起源于代谢轮廓分析（ profiling）。）。早代谢轮廓分析在二十世纪七十年代，Baylor药学院就已经提出并发表了在二十世纪七十年代，Baylor药学院就已经提出并发表了代谢轮廓分析的理论。代谢轮廓分析的理论。 • 1975年，Thompson 和Markey利用气相色谱和质谱在代谢 1975年 Markey利用气相色谱和质谱在代谢轮廓分析的定量方面取得了较大进展；轮廓分析的定量方面取得了较大进展；二十世纪七十年代末期这种方法得到了广泛认同；；八十年代早期应用HPLC ；；八十年代早期应用末期这种方法得到了广泛认同；；八十年代早期应用HPLC NMR来对代谢物进行分析来对代谢物进行分析。和NMR来对代谢物进行分析。 • 1986年，Joumal of Chromatography A出版了一期关于 1986年 A出版了一期关于代谢轮廓分析的专辑。代谢轮廓分析的专辑。 • 随着基因组学的提出和迅速发展，Oliver于1997年提出了随着基因组学的提出和迅速发展，Oliver于1997年提出了代谢组学（metabolomics）的概念，代谢组学（metabolomics）的概念，之后很多植物化学家开展了这方面的研究；开展了这方面的研究； • 1999年Jeremy K. Nicholson等人提出metabonomics的概 1999年 Nicholson等人提出metabonomics的概等人提出metabonomics 念。

代谢组学简介-百趣代谢组学

什么是代谢组学？

代谢组学（Metabonomics/Metabolomics）是继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的新兴的组学技术，是系统生物学的重要组成部分，研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。

代谢组学是对某一生物体组份或细胞在一特定生理时期或条件下所有代谢产物同时进行定性和定量分析，以寻找出目标差异代谢物。可用于疾病早期诊断、药物靶点发现、疾病机理研究及疾病诊断等。

国内外研究现状简述

国际上，代谢组学研究很活跃：美国国家健康研究所(NIH)在国家生物技术发展的路线图计划中制订了代谢组学的发展规划；许多国家的科研单位和公司均开始了代谢组学相关研究及业务，如英国帝国理工大学的Jeremy Nicholson实验室、美国加州大学Davis分校的Oliver Fiehn 实验室、美国Scripps实验室、荷兰莱顿大学的Jan van der Greef实验室等。其中许多机构已经开始了多组学整合研究工作。国内多家科研机构已先后开展了代谢组学的研究工作，包括中国科学院大连化学物理研究所许国旺实验室、中国科学院武汉数学物理研究所唐惠儒实验室、上海交通大学贾伟实验室、军科院等。

没有任何一个分析技术能够同时分析代谢组中的所有化合物，只能通过选择性地提取结合各种分析技术的并行分析来解决。

样品之间的变异、仪器动力学范围的局限和分析误差的存在也给代谢组学分析带来巨大的挑战。因此在取样方法，新型分析仪器和分析技术的研发等方面，都需要进一步深入开发。

代谢组学分析产生出海量的数据，当前我们缺乏适当的代谢组数据库和数据交换版式，需要完善代谢组学数据库，建立代谢产物数据的标准，并且需要开发功能强大的数据分析工具。

代谢组学的定义(1)

代谢组学的定义

代谢组学(metabolomics/metabonomics)[1, 2]是上世纪90 年代中期发展起来的一门新学科，它是研究生物体系受外部刺激所产生的所有代谢产物变化的科学，所关注的是代谢循环中分子量小于1000 的小分子代谢物的变化，反映的是外界刺激或遗传修饰的细胞或组织的代谢应答变化。代谢组学的概念来源于最初人们提出的“代谢物组”(metabolome)，即指某一生物或细胞所有代谢产物，后来发展为代谢组学的概念。其最主要的特征是通过高通量的实验和大规模的计算，从系统生物学的角度出发，全面地综合地考察机体的代谢变化。作为一种崭新的方法学，代谢组学已成为国际上疾病与健康研究的一个重要热点。

Nicholson 研究小组于1999 年提出了metabonomics 的概念[1]，并在疾病诊断、药物筛选等方面做了大量的卓有成效的工作[3, 4]。Fiehn 等[5]提出了metabolomics 的概念，第一次把代谢产物和生物基因的功能联系起来。之后很多植物化学家开展植物代谢组学的研究，使代谢组学得到了极大的发展，形成了当前代谢组学的两大主流领域：metabolomics 和metabonomics。前者是对生物系统整体的、动态的认识(不仅关心代谢物质的整体也关注其动态变化规律)，而后者强调分析且是个静态的认识概念，因此可以认为metabolomics 是metabonomics 的一个组成部分。代谢组学经过不断的发展，一些相关层次的定义已被学术界广泛接受。第一个层次为靶标分析，目标是定量分析一个靶蛋白的底物和/或产物；第二个层次为代谢轮廓分析，采用针对性的分析技术，对特定代谢过程中的结构或性质相关的预设代谢物系列进行定量测定；第三个层次为代谢指纹，定性或半定量分析细胞内外全部代谢物；第四个层次为代谢组分析，定量分析一个生物系统全部代谢物，其目前还难以实现。

代谢组学.ppt

• 1986年，Joumal of Chromatography A出版了一期关于代谢轮廓分析的专辑。
• 随着基因组学的提出和迅速发展，Oliver于1997年提出了代谢组学（metabolomics）的概念，之后很多植物化学家开展了这方面的研究；
• 1999年Jeremy K. Nicholson提出metabonomics的概念
–缺乏某mRNA或蛋白质的数据信息时，以上各种组学就只能为人们提供少量的信息。
–基因组学、转录组学或蛋白组学上的变化与
基因变更时在生化层面的表现型改变 =？
中英联合实验室
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• 基因组学和蛋白质组学分别从基因和蛋白质层面探寻生命的活动；
– 基因组的变化不一定能够得到表达，从而并不一定对系统产生影响；
中英联合实验室
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代谢组学的发展
中英联合实验室
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代谢产物的分析层次
Oliver Fiehn 将对生物体系的代谢产物分析分为4个层次：
• 1）代谢物靶标分析（Metabolite target analysis）：某个或某几个特定组分的分析；
• 2）代谢轮廓分析（Metabolic profiling）：少数预设的一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分；
中英联合实验室

代谢组学教材

代谢组学是一门涉及多个学科领域的综合性学科，因此相关教材也有很多不同的选择。以下是一些常见的代谢组学教材：

1. 《医学代谢组学》（贾伟主编，上海科学技术出版社出版）

2. 《代谢组学-方法与应用》（许国旺主编，科学出版社出版）

3. 《植物代谢组学-方法与应用》（漆小泉等主编，化学工业出版社）

这些教材都是代谢组学的经典之作，其中涵盖了代谢组学的理论、技术及应用等方面的内容，适合作为本科生、研究生及专业研究人员的教材或参考书。建议根据自己的需求和兴趣选择适合自己的教材。

代谢组学综述

摘要：代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,由于其广泛的应用前景,目前已成为系统生物学的重要组成部分。现简要介绍了代谢组学的含义、代谢组学研究的历史沿革、当前代谢组学研究中的分析技术、数据解析方法,综述了代谢组学在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域的应用情况,并对当前代谢组学研究中存在的问题及发展趋势进行探讨。

关键词：代谢组学研究技术

随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组学（metabolomics）在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律。这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。

代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。

代谢组学概念

一、引言

代谢组学是一门新兴的交叉学科，它结合了代谢物分析和系统生物学

的原则，致力于研究生物体内代谢过程中产生的所有小分子代谢产物，从而揭示这些分子之间的相互作用和调节机制。随着技术的不断发展，代谢组学在医学、农业、环境保护等领域中得到了广泛应用。

二、代谢组学的基本原理

1. 代谢物分析

代谢物分析是指对生物体内所有小分子化合物进行定量和定性检测，

并通过比较不同样本之间的差异来揭示其相互作用和调节机制。常用

的技术包括质谱法、核磁共振法和色谱法等。

2. 系统生物学

系统生物学是指将生命现象看作一个整体，并通过建立数学模型来描

述其复杂性。在代谢组学中，系统生物学可以用于预测代谢途径、鉴

定关键酶以及优化治疗方案等方面。

三、代谢组学在医学领域中的应用

1. 诊断疾病

代谢组学可以通过检测血液、尿液等样本中的代谢产物，来诊断各种

疾病。例如，肝癌患者的尿液中会出现较高浓度的甲酸和乳酸，而胰

腺癌患者的血液中则会出现较高浓度的L-赖氨酸。

2. 评估药效

代谢组学可以帮助评估药物的有效性和安全性。例如，在治疗乳腺癌时，代谢组学可以帮助选择最佳药物，并监测患者对药物的反应情况。

3. 预测预后

代谢组学可以通过检测患者体内代谢产物的含量和比例，来预测其对

治疗的反应以及生存期。例如，在肺癌治疗中，代谢组学可以预测肿

瘤复发率和患者生存期。

四、代谢组学在农业领域中的应用

1. 品种鉴定

通过分析不同品种作物体内代谢产物的差异，可以实现快速准确地进

行品种鉴定。

2. 营养评估

代谢组学可以帮助评估植物的营养状况，从而为农业生产提供科学依据。例如，在玉米生产中，代谢组学可以帮助评估土壤中的氮磷钾含量，从而确定最佳的施肥方案。

代谢组学

? Metabolite profiling produces information on the biochemical pathways effected 代谢物分析能提供生化途径结果的信息
? Monitoring metabolites allows concurrent or sequential affects to be monitored, e.g. blocking of a metabolic pathway in the liver can lead to toxicity in the brain (hydrazine) 代谢监控可监控即时或相继的结果，例如：阻断肝脏中代谢途径会在脑中产生毒性肼
Nicholson and Wilson: NMR spectroscopy of biofluids
1982
Van De Greef: publication of MS for urine profiling
1983
Nicholson, et al.: Multi-component 1984 analysis of spectra data from rat
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The Need for Metabonomic Information
? Genomics and Proteomics are not sufficient to describe reasons for toxicity or disease state 基因组学和蛋白组学对于毒性或疾病状态的描述是不足的

药用植物代谢组学

发展
随着高通量测序技术、生物信息学和代谢组学等技术的不断发展，药用植物代谢组学的研究将更加深入和完善。未来，该领域的研究将更加注重药用植物药理作用机制的深入研究、新药开发以及植物药抗药性机制的研究等方面，为中医药研究和植物药产业发展提供更加有力的支持。
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药用植物代谢物的种类与功能
氨基酸类代谢物
细胞凋亡等。
案例三：人参皂苷的药理作用及药用价值研究
总结词
人参皂苷是人参的主要活性成分之一，具有多种药理作用，如抗氧化、抗疲劳、抗肿瘤、抗炎等。
详细描述
通过对人参皂苷的药理作用、药用价值、提取和分析方法的研究，发现人参皂苷能够提高机体免疫力、抗疲劳和抗氧化等，对神经衰弱、慢性肝炎、癌症等疾病具有显著的治疗效果。
基因组学与蛋白质组学技术
基因组学
研究生物体内所有基因的结构和功能
蛋白质组学
研究生物体内所有蛋白质的结构和功能
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药用植物代谢组学在医药领域的应用
药用植物代谢组学在药物研发中的应用
发现新的药物先导化合物
药物作用机制研究
利用代谢组学技术，研究药物对生物体的代谢过程的影响，揭示药物的作用机制。
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用于分离和分析不挥发性物质
高效液相色谱（HPLC）
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是一种高分辨率、高灵敏度的液相色谱

代谢组学

簇类分析(Hierarchical Cluster Analysis ,HCA) 簇类的独立软模式分类法(Soft In- dependent Modeling of Class Analogy， SIMCA)、PLS-DA (PLSDiscriminant Analysis) 、人工神经网络 (Artificial Neural Network，ANN) 等

基因组学告诉你可能发生什么蛋白质组学告诉你如何发生什么代谢组学告诉你已经发生了什么。
5 代谢组学优点

1) 基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得到放大,从而使检测更容易； 2) 代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签(EST) 的数据库；

3) 代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。每个生物体(organism)中代谢产物大约在10³ 数量级,而最小的细菌,其基因组中也有几千个基因； 4) 因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的,所以代谢组学研究中采用的技术更通用。

Metabolomics ---Oliver Fiehn

21世纪初
全面定量分析生物体系中的所有代谢产物.
3 代谢组学的发展过程

代谢组学的研究可以追溯至上世纪80年代。

1970s代谢轮廓分析(Metabolic profiling) , Devaux等人于上世纪70 年代提出。 1985年,Nicholson研究小组利用核磁共振 (NMR)技术分析大鼠的尿液,意识到这可能是生命科学研究的巨大突破.

代谢组学分析

谷购犁近日在科学、技术、工程领域组织了一次调研。研讨会从各个方面总结了有关新兴的代谢组学技术，就其本质、局限性以及可能的应用方向进行了深入的探讨。

1. 什么是代谢组学

代谢组学(Metabolomics)是研究与生物体代谢相关的组分变化的综合方法，可以用于对机体状态的定量描述、分离和识别代谢物以及进行相关性和关联性分析。本质上，代谢组学使用物质分析技术，建立了特定组织或细胞中代谢物种类、含量以及细胞功能和调控状态之间的关联关系，用以研究肿瘤、组织发育和功能失常等疾病的分子机制，也可用于重大疾病的早期诊断。

2. 代谢组学的主要原理

代谢组学的核心原理是利用高灵敏的色谱技术和质谱技术精确检测、鉴定和定量分析生物样品中的代谢物，通过识别同国生物样品中的代谢物来可靠的诊断和预测疾病，进而完成诊治。色谱技术可以准确可靠的识别、定量分析和分离复杂的生物样品中的每一个代谢物及其同位素，通过质谱技术可以更准确的识别、定量分析和监测生物样品中的分子构型，提高代谢组学信息的准确性和可靠性。

3. 代谢组学在疾病诊治中的应用

代谢组学技术与传统医学分析相比，拥有一系列优势，例如快速、灵敏、对系统性变化的分析响应灵敏、成本较低等，已被广泛应用于各种重大疾病的治疗和诊断，例如用于诊断脑损伤、心脏病以及肿瘤等疾病，并用于更好地预测患者病情状况，有助于揪出早期诊断、选择最佳治疗方案以及提前预防都更容易发挥作用。

4. 代谢组学技术的局限性

由于代谢物的来源类型多样，代谢物的种类多，性质复杂，这就要求代谢组学技术必须具备很高的灵敏度、准确性和特异性，否则无法准确的鉴定出调控网络中的所

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代谢组学简介-百趣代谢组学

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代谢组学概念

代谢组学

药用植物代谢组学

代谢组学

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