代谢组学方法及其研究进展(re)

样品制备方法 代谢产物分离、 检测与鉴定方法 数据分析与模型 建立方法
归一化与滤噪、非监督学习方法、有监督学习方法、 数据库及专家系统； 模型建立
“Metabolite”+”genomics” metabonomics
Metabolome metabolomics
数据分析方法和模型建立（1）
（1）归一化与滤噪 在得到分析对象的原始谱图后,首先需要对数据进行预处理 对数据进行预处理(一般包括 对数据进行预处理 归一化和滤噪) ,处理后保留与分类有关的大部分信息 消除多余的干扰因 处理后保留与分类有关的大部分信息,消除多余的干扰因 处理后保留与分类有关的大部分信息 素的影响。 素的影响 广泛应用的滤噪技术是正交信号校正技术 正交信号校正技术(orthogonal signal 正交信号校正技术 correction , OSC) 。与普通的谱图滤噪技术不同,OSC 滤掉与类别判断 ,OSC 正交(不相关) 的变量信息,只保留与类别判断有关的变量,从而使类别判别 分析能集中在这些与类别的判别相关的变量上,提高了判别的准确性。 OSC 等效于从数据中去除了额外的影响因素,因此该方法经常用于 该方法经常用于 易受环境因素影响的分析,例如在微量药物引发的生化效应中,分析结果经 易受环境因素影响的分析 常被研究对象的性别、饮食和其他环境因素所淹没,在这种情形下,应用 OSC能收到较好的效果。
数据分析方法和模型建立（5）
代谢组学分析离不开各种代谢途径和生物化学数据库 代谢途径和生物化学数据库。 代谢途径和生物化学数据库 现在主要的数据库有接连图数据库(Connections Map DB) , KEGG, EcoCyc , EcoCyc and metacyc , BRENDA , L IGAND , MetaCyc ,UMBBD , WIT2 , EMP 项目, IRIS , AraCyc ,PathDB , 生物化 学途径( ExPASy) , 互联网主要代谢途径( main metabolic pathways on Internet ,MMP) , Duke 博士植物化学和民族植物学数据库,Arizona 大学 天然产物数据库等, 其中IRIS , AraCyc 分别为水稻和拟南芥的有关数据 库。
1989年，Gartland等根据药物造成的靶器官(如肝、肾皮层或髓质毒) 损伤及程度分组，利用1HNMR对尿液进行分析，结合主成分分析 ( PCA) ，建立相应的毒理学研究模型 帮助判断新药的毒副作用与程 建立相应的毒理学研究模型,帮助判断新药的毒副作用与程 建立相应的毒理学研究模型 以及量效与时效关系。 度,以及量效与时效关系。Holmes等研究了HgCl2 (损伤近端肾小管) 以及量效与时效关系 和乙基溴(损伤肾髓质)两组肾损伤模型,观察了9天1H NMR谱的演变 情况。在肾损伤进展及恢复的过程中,尿中20种代谢物发生的改变,与 组织学的改变相一致，并存在规律性的时效关系。进一步相关分析的 基础上发现，HgCl2 的损伤是单一的直接损伤、具有可逆性;而乙基 溴则为双重损伤机制(直接损伤加上影响渗透压而造成肾乳头的间接 损伤) 、可逆性差。肝毒性研究方面亦有相类似的研究。 美国食品与药品管理局( FDA)已经接受代谢组学研究的结果作为新药 美国食品与药品管理局 已经接受代谢组学研究的结果作为新药 申报和注册的重要参考指标。代谢组学研究大大缩短了新药安全性研 申报和注册的重要参考指标 究的周期，它能够快速、有效地分析多条代谢通路，帮助定位靶组织 及判定毒副作用程度，寻找相应的生物学标志。主要采用的仍是NMR 技术,包括对各种体液、组织或组织提取液进行分析;在计算机基础上， 发展起来的数据分析模型更是发挥了巨大的推动作用。
样品制备
代谢产物的分 离、检测、鉴定
数据分析 与模型建立
代谢组学的研究方法
研究对象 单个细胞或细胞类 对生物体液和组织进行系统测量和分 型中所有的小分子 析,研究完整的生物体中代谢物随时 成分和波动规律 间改变的情况,确定生物标志物 根据不同的分析方法 采取不同的样品制备方法 GC, LC, CE - MS NMR
数据分析方法和模型建立（3）
（3）有监督(supervised ) 学习方法 这类方法用于建立类别间的数学模型,使各类样品间达到最大的 这类方法用于建立类别间的数学模型 使各类样品间达到最大的 分离,并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测 并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测。 分离 并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测。在这类方法 中,由于建立模型时有可供学习利用的训练样本,所以称为有监督(有师) 学习。在这种方法中经常需要建立用来确认样品归类(防止过拟合) 的 确认集(validation set) 和用来测试模型性能的测试集(test set) 。 应用于该领域的主要是基于PCA、偏最小二乘法(partial least 、偏最小二乘法 应用于该领域的主要是基于 squares, PLS) 、神经网络 neural network ,NN) 的改进方法 常用 神经网络( 的改进方法, 的有SIMCA ( soft independent modeling of class analogy) 和偏最小 偏最小 二乘法显著性分析(PLS－discriminant analysis ,PLS－DA) 。 二乘法显著性分析 作为非线性的模式识别方法,人工神经元网络(ANN)技术也得到广 泛应用。
数据分析方法和模型建立（4）
（4）数据库及专家系统 现实情况下，代谢组学的数据是非常复杂的，特别是对病理生 对病理生 理过程的研究，预将代谢物的表达谱与时间相联系，则需要借助复杂 理过程的研究，预将代谢物的表达谱与时间相联系 复杂 的模型或是专家系统进行分析。 的模型或是专家系统 为了将基于NMR 的代谢组学用于药物的毒性筛选,伦敦大学的 皇家科学院实验室和Pfizer 等6 家制药公司于2001 年1 月启动了一个 为期3 年的关于药物毒性研究的研究小组(COMET) ,拟在药物的发现 到开发阶段用代谢组学的方法来评价药物的毒性,以缩短药物开发的时 间,减少损失,并试图建立一个用于药物毒性预测 预测的专家系统。该专家 预测 系统分为3 个独立的级别:正常/ 异常的判别、对未知样本进行数据库 中已知毒性或疾病的识别、病理学的生物标记物的识别。
代谢组学的应用
生理条件对代谢谱的影响 生物学研究领域 农业和食品领域 医药领域 疾病诊断和发病机理探讨
代谢组学的应用（1）
（1）生理条件对代谢谱的影响：
建立生理条件下对代谢谱的正确认识,是研究各种病理条件或刺激干 预的前提。目前运用NMR技术对生理状态的研究已取得了一些进展。
代谢组学的ห้องสมุดไป่ตู้用（2）
对比几个基本概念
研究对象 基因组学 genomics
核酸(A、T/U、C、G )
研究方法
以测序为主
转录组学 transcriptomics 蛋白质组学 proteomics 代谢组学
由20个氨基酸构成 代谢产物则以元素组成、 原子排列、立体结构和分 子特征来区分
差异显示、减法杂交、 DNA芯片技术等 同位素亲和标签、2D-MS技术
数据分析方法和模型建立（2）
（2）非监督(unsupervised) 学习方法 这类方法用于从原始谱图信息或预处理后的信息中对样本进行归 类,并采用相应的可视化技术直观的表达出来。该方法将得到的分类信 该方法将得到的分类信 息和这些样本的原始信息(如药物的作用位点或疾病的种类等)进行比较 进行比较, 息和这些样本的原始信息 进行比较 建立代谢产物与这些原始信息的联系,筛选与原始信息相关的标记物 筛选与原始信息相关的标记物,进 建立代谢产物与这些原始信息的联系 筛选与原始信息相关的标记物 进 而考察其中的代谢途径。 而考察其中的代谢途径。 用于这个目的的方法没有可供学习利用的训练样本,所以称为非监 督(无师) 学习方法。应用在此领域的方法有: 主成分分析 主成分分析(principal componentsanalysis , PCA) 、非线性映射 nonlinear mapping ,NLM) 、 非线性映射( 非线性映射 簇类分析(hierarchical cluster analysis ,HCA) 等。 簇类分析
什么是代谢组学？
“代谢组学” = “代谢” + “组 学”
基因组学 genomics
DNA
转录组学 transcriptomics
mRNA
蛋白质组学 proteomics
Pr
代谢组学
研究一个细胞、组织或器官中,所有……的一门科学！
代谢组学的定义
代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中, 所有代谢组分的集合,尤其指小分子物质”,而代 谢组学则是一门“在新陈代谢的动态进程中,系 统研究代谢产物的变化规律,揭示机体生命活动 代谢本质”的科学。它所关注的是相对分子质 量为1,000以下的小分子。
代谢组学的应用（4）
（4）医药领域：
药物安全性评价 细胞中代谢物和组织中代谢物处于生物体液的动态 平衡，机体中生物体液成分的变化反映了中毒或代谢损害而引起的细 胞功能异常。利用高分辨率的1H NMR 波谱可检测血浆、尿液、胆汁 等生物基质中的具有特殊意义的微量物质的异常成分，而且可以同时 对所有代谢物进行定量分析，且几乎不需要样品的前期准备，对任何 成分都有相同的灵敏度。1H NMR 谱所检测到的生物体液中的内源性 代谢物，完全依赖于动物体内的毒素类型；每一种类型的毒物和药物 都会在生物体液中产生特征的内源代谢物浓度和模式变化，这种特征 提供了毒性作用的机理和作用位置的信息，使先导化合物筛选更有效， 为新药临床前安全性评价提供可靠的技术支持与保障。因此，代谢组 学在毒物药物学的研究中发挥了极其重要的作用。
（2）生物学研究领域：
作为基因型与表型之间的桥梁, 代谢组学将基因产物和基因关联起来, 作为基因型与表型之间的桥梁 代谢组学将基因产物和基因关联起来 实现基因 功能的鉴定。 功能的鉴定。转基因生物和敲除突变体(knockout mutants) ，往往没有明显的 表型变化。比如拟南芥中就有90 %的突变体是沉默型突变体，人们很难通过表 现型的变化来确定有关基因的功能。而转基因生物和敲除突变体中某些代谢产 物的含量却常常会发生变化。通过代谢产物水平变化的分析 就可以把它们与 通过代谢产物水平变化的分析, 通过代谢产物水平变化的分析 野生型区分开来。 野生型区分开来。 将代谢组学技术与功能基因组学手段相结合，通过代谢产物的变化能成功推断 推断 有关基因的功能。Metanomics 公司的成立就是一个典型的代表，其思想就是 有关基因的功能 遵循代谢组学的研究方法，在改变植物的基因后，进行植物的代谢分析或记录 代谢产物，进而寻找植物代谢过程中的关键基因,如能够让植物耐寒的基因等； Fiehn 研究小组的利用GC/MS 技术,通过对不同表型阿拉伯荠的433 种代谢产 物进行代谢组学分析,结合化学计量学方法(PCA、ANN 和HCA) 对这些植物的 表型进行了分类,找到了4 种在分类中起着重要作用的代谢物质 种在分类中起着重要作用的代谢物质:苹果酸(malic acid) 、柠檬酸、葡萄糖和果糖,结果与线粒体和叶绿体中的基因型结果一致。
检测代谢产物的方法各 不相同
基因与蛋白质的表达紧密相连,代谢物则更多地反映了细胞所处的环境。正如 Billy David所言:“基因组学和蛋白质组学告诉你可能发生什么,而代谢组学则告诉你 已经发生了什么” 。
代谢组学研究过程
代谢组学研究过程包括：前期 的样品制备,中期的代谢产物分离、 检测与鉴定以及后期的数据分析与 模型建立三个部分。
代谢组学方法及其研究进展
2005.11.23.
代谢组学的历史
代谢组学的研究可以追溯至上世纪80 年代。 1985 年，英国帝国理工大学教授Nicholson的研究 小组利用核磁共振(NMR)技术分析大鼠的尿液, 并 于1999年,提出了代谢组学的概念。Nicholson教授 也由于其在代谢组学发展中的开拓性的贡献，而被 誉为“国际代谢组学之父”。
代谢组学的应用（3）
（3）农业和食品领域：
代谢组学技术通过促进植物基因功能组学的研究工作, 来加快农作物 加快农作物 品质改良的进程。 品质改良的进程 通过比较转基因生物和其野生型在代谢产物方面的差别, 来对转基因 对转基因 生物及其食品进行安全性评估。Roesnner 生物及其食品进行安全性评估 Roesnner 等人利用代谢组分析技术 对转基因植物进行了研究, 他们利用GS/ MS 分析技术对马铃薯块茎中 150 种化合物进行了定量和定质分析, 确定了过度表达葡萄糖激酶、 葡萄糖磷酸酶等不同基因之转基因植株的生物化学表现型。