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

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.


局限性

只能对其中的挥发性组分实现直接分析。

LC/MS(/MS) 技术逐渐被广泛地用于代谢 组学的研究中 。LC/MS 采用LC作为其主 要的分离手段,增强了其分辨能力,与MS或 MS/MS的联用可以得到代谢组分的结构信 息。与GC相比,预处理相对简单。
2 数据分析平台

在得到分析对象的原始数据后,首先需要 对各种分析手段得到的原始数据进行处理, 得到可用于代谢组学研究的格式。根据各 种分析手段(NMR , GC/MS , LC/MS/MS)自 身的特点,研究者们开发出了相应的算法 对原始谱图的数据进行提取、峰对齐、去 噪等处理。然后需要对这些数据进行分析, 挖掘隐含于其中的有用信息。

指一个细胞、组织或器官中,所有代谢产物的 集合,一般指分子量小于1000D的物质 .
2 代谢组学的概念

在新陈代谢的动态进程中,系统地研究代 谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代 谢本质的科学。


Metabonomics ---英 Jeremy K.Nicholson 90年代

20世纪
生命体系对病理生理刺激或遗传改造所产生的 动态,多指标代谢响应的定量测定.
代谢组学流程包括

样品的采集 预处理 数据的采集 数据的分析及解释

研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台 构成。代谢组学力求分析生物体系(如体液和 细胞) 中的所有代谢产物,所以整个过程中都 强调尽可能的保留和反映总的代谢产物的信息。
1 分析技术平台

代谢组学的研究中最常见的分析工具是 NMR ,特别是¹ H-NMR、13C-NMR、31P-NMR
4 代谢组学与其他组学关系



基因组学主要研究生物系统的基因结构组 成,即DNA 的序列及表达。 蛋白组学研究由生物系统表达的蛋白及由 外部刺激引起的差异。 代谢组学是研究生物体系(细胞,组织或生 物体)受外部刺激所产生的所有代谢产物 的变化。
代谢组学是“组学”研究的最终方向



基因组的变化不一定能够得到表达,从而并不对 系统产生影响。 某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高, 但由于这个蛋白可能不具备活性,从而也不对系 统产生影响。 由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋 白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补 偿,最后反应的净结果为零。而小分子的产生和 代谢才是这一系列事件的最终结果,它能够更准 确地反映生物体系的状态。



1986 年, Journal of Chromatography A 出 版了一期关于Metabolic profiling 的专辑。 90 年代后期,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.

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。

优点

对样品的非破坏性、非选择性分析,满足了代谢 组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标。

缺陷:
灵敏度低 分辨率不高


因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的分析 物。

在植物的代谢组学研究中, 主要采用的技 术为GC（气相色谱）/ MS （质谱）。

优势
能够提供较高的分辨率和检测灵敏度 有可供参考、比较的标准谱图库 ,可以方便地得 到待分析代谢组分的定性结果。
一 代谢组学的基本概念

自20世纪末出现基因组学概念以后,各种” 组学(-omics)”呈井喷式暴发.有人统计共 有数百种组学问世.


常见的如基因组学,蛋白质组学,转录组学,代 谢组学 上述组学还可再分出诸多亚组学,如肝细胞转 录组学,骨代谢组学等
1 代谢组的概念


细胞内的生命活动均以代谢为基础，代谢 物的变化可更直接反映细胞所处的环境， 如营养状态、药物作用和环境改变等。 代谢组
代谢组学
西安交通大学医学院 遗传学与分子生物学系 李信民 5372009443@sina.com
外部或内部刺激
↓
生物系统(机体)
↓
基因→转录→翻译→代谢
↓ ↓ ↓
基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学 数据处理 知识或模型
系统生物学:用系统的观点或方法研究生物体系,以获 得海量数据和生物模型.其特点是不用单一指标描述生 物体的状态,而是用多元数据组进行描述.

6 生物体系的代谢产物分析的四个层次


1) 代谢物靶标分析(Metabolite target analysis) : 对某个或某几个特定组分的 分析; 2) 代谢轮廓/谱分析(Metabolic profiling analysis) :对一系列少数预 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(氨基酸、有机 酸、顺二醇类) 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析;
NMR技术的优点与缺点

优点


①无损伤性,不破坏样品的结构和性质; ②可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近 生理条件的实验; ③与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交 换、运动等代谢产物的变化规律; ④实验方法灵活多样。
仪器价格昂贵 维护费用高 灵敏度低

缺点

(2)质谱技术

原理

首先使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同 荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成 离子束，进入质量分析器.在质量分析器中，再利用电 场和磁场使离子发生相反的速度色散，将他们分别聚 焦而得到质谱图，从而确定其质量. 色谱和电泳等分 离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离分 析提供有力的手段，如气相色谱一质谱联用(GC一MS)， 液相色谱一质谱联用(Lc一MS)和毛细管电泳一质谱联 用(CE一MS)等是质谱相关技术中的常见技术，在代谢 组学的各个领域有广泛的应用.
百度文库
1999 年Jeremy K. Nicholson 等人提出 metabonomics 的概念,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 ,使得代谢组学得到了极大的充实,同 时也形成了当前代谢组学的两大主流领域： metabolomics 和metabonomics。

一般认为,metabolomics 是通过考察生物体 系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异 或环境变化后) 代谢产物的变化或其随时间的 变化, 来研究生物体系的代谢途径的一种技术。 而metabonomics 是生物体对病理生理刺激或 基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化 的研究。前者一般以细胞做研究对象,后者则 更注重动物的体液和组织。

将预处理的体液或是组织(根据实验需要,可将 组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处 理),加至质谱仪,经历汽化,离子化、加速分离 及检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢 组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的分子 量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化 学成分以及半定量关系。
(3)常用的其他一些分析技术
代谢组学的研究方法

分为三阶段

前期 中期 后期

前期---样品制备

代谢组学研究常用的检测技术,一般不需 要对标本行特别的分离、纯化等。但须立 即阻断内在酶的活性。

最为常用的是
冰冻/液氮降温法 冷冻、干燥


细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽量 避免氧化等活化因素。
中期---产物检测、分析与鉴定

代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学 技术的核心部分,最常用的方法是有两种

NMR 质谱(MS)
(1)核磁共振技术

原理

核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定 磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时 所发生的共振吸收现，是一种利用原子核在磁 场中的能量变化来获得关于核信息的技术. 生 命科学领域中常用的有三种

影响代谢组学分析的主要因素

生物种属:

如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差别较 大;不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒 性的易感性也不同 雄性波峰的变异性明显高于雌性,而前者对药 物及毒物的敏感性也高

性别:


年龄:

在四氯化碳的肝毒性模型研究中, 发现28月龄 的F344大鼠较5月龄的敏感性差;并随年龄增长, 尿液中三羧酸的代谢产物也不同;尿中代谢产 物的组成变化还与个体间的健康状况、遗传差 异性等密切相关。
模式识别技术主要有


模式识别技术主要有非监督和有监督学习 方法两种 非监督(un-supervised) 学习方法


主成分分析( Principal Components Analysis ,PCA)、 非线形映射(Nonlinear Mapping ,NLM)、

有监督(supervised )学习方法。

气相色谱(GC) 高效液相色谱仪(HPLC) 高效毛细管电泳(HPCE)

往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。 敏感性及分辨率提高,“假阳性”率也就越大
后期---数据分析与模型建立


代谢组学研究的后期需借助于生物信息学 平台 借助于一定的软件,联合多种数据分析技 术,将多维、分散的数据进行总结、分类 及判别分析,发现数据间的定性、定量关 系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其 与机体代谢的关系。
氢谱(1H-NMR) 碳谱(13C-NMR) 磷谱(31P NMR)


可用于体液或组织提取液和活体分析两大类
代谢指纹分析 (metabolic fingerprint analysis)

氢谱(1H NMR)


将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的 1H-NMR谱峰与样品中各化合物的氢原子对应,根 据一定的规则或与标准氢谱比照可以直接鉴定出 代谢物的化学成分,信号的相对强弱则反映了各 成分的相对含量。 不同样品的代谢物图谱有其特质性,对这种特质 性进行区分、鉴定,被称为“代谢指纹分析 (metabolic fingerprint analysis)”。
代谢谱分析 (metabolic profi-ling analysis)

NMR对活体内外的非损伤组织、器官进行 研究。以心脏的磷谱研究为例,将预处理 的体外灌流心脏直接置于检测区,持续观 察低氧干预下31PNMR谱峰的改变情况,发现 低氧状况下, P3+和Mg2+的含量增加,并随 低氧的延长而加深、加重。这种分析器官 或组织中某一代谢物或组合随时间变化的 情况,称之为“代谢轮廓分析(metabolic profi-ling analysis)


3) 代谢组学(Metabolomics) : 对某一生 物体或细胞在（限定条件下的特定生物样 品中）所有代谢组分的定性和定量; 4) 代谢物指纹分析(Metabolic fingerprinting) :不分离鉴定具体单一组分,而 是对样品进行高通量的快速定性分析。
二 代谢组学的研究方法