核磁共振波谱分析-12

相关的生物标志物。
表现型(phenotype) 个体(individual) 器官(organ) 组织(tissue) 细胞(cell) 代谢组 代谢物(metabolite) 蛋白质(protein) mRNA DNA
(metabonome/metabolome)
系统生物学 (Systems Biology) 的组成
J. K. Nicholson, J. C. Lindon, E. Holmes. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-89.
Oliver Fiehn University of California Health Sciences Drive Davis, USA
技术：GC-MS 植物代谢分析： 细胞
Yes Good Fair Selective No No
NMR
Yes Good Good Fair Yes Yes
Molecular information
Sample preparation Pre-knowledge requirements in vivo/in situ Throughput Recurrent expenditure Labour intensiveness
代谢组学中主流技术的比较
Chromatography
Objective Reproducibility Resolution Sensitivity Unbiased detection (Simultaneous) Holistic Yes Poor Fair Selective No No
Mass Spectrometry
>109? ~2,500
代谢组学分析检测技术
UPLC, HPLC CE/microfluidics LC-MS FT-MS QqQ-MS NMR spectroscopy X-ray crystallography GC-MS LIF detection
基于NMR的代谢组学的特点
Metabolomics: comprehensive analysis of all the metabolites of an organism. The quantitative measurement of all low molecular weight metabolites in an organism’s cells at a specific time under specific environmental conditions. 生物体所有代谢物的系统分析。本质是“给定细胞在 给定时间和条件下所有小分子代谢物的定量分析”。
NMR检测生物样品中存在的问题
♥ 检测灵敏度低：500MHz谱仪的1H NMR的检 测限理论为10μM。 ♥ 水峰过强：体液中的生物分子一般其浓度为 毫摩尔级，水中质子浓度约为100 mol/L，是 生物分子浓度的105 倍! ♥ 检测动态范围有限：很难同时检测同一样品 中含量相差很大的物质。 ♥ 谱峰重叠及谱线较宽。
Low
代谢组学方法和流程
Bio-systems
Toxins, Drugs Environmental etc
Time course Dose response
Exogenous
Analytical Approaches
Endogenous
•Exposure assessment •Bio-monitoring •Disease diagnostics Metabolic pathways Databases
基于NMR的代谢组学的特点
♥ 多参数：从核磁谱图中的多种参数得出结构信息。 对于药物代谢来说，可以通过化学位移、谱峰的 多重性、偶合常数、弛豫时间、NOE 效应、谱峰 强度等多种参数对同一问题做全面的反映。
♥ 多核与多维NMR：解决同一问题可采用多核（1H、 13C、15N、31P、23Na、7Li、139La 等）和多维（2D COSY、NOESY、TOCSY、HSQC）等多种核磁 共振编辑手段和实验方法。
Mol. Biosyst. 2009, 5: 288; J. Proteome. Res. 2009, 8: 5657; 2009, 8: 352.
三、基于NMR的代谢组学研究进展
1. 毒理研究
在药物毒理代谢组学的研究领域，最为 瞩 目 的 工 作 是 国 际 COMET (Consortium for Metabonomic Toxicology)计划，旨在建立代谢 组数据库，并为目标器官及其位点的毒性建立 预测性专家系统。他们已经建立起了第一个基 于机器学习的实验室啮齿动物肝脏和肾脏毒性 预测的专家系统。
♥ 简便：样品不需复杂预处理，检测不需严 格分析条件，避免引入干扰物的可能。 ♥ 快捷：常规1H NMR谱只需几分钟，且对 低分子量和高分子量的代谢物均能给出定 性和半定量的信息。 ♥ 避免漏检：不需预先选定化合物，在对待 测物知识非常有限的情况下意义尤为重要。
基于NMR的代谢组学的特点
♥ 不破坏样品的原有组成：NMR方法具有 无损伤性, 可以在生理条件下对样品进行 实时检测且不影响混合物的生理生化性质 甚至化学平衡，以达到模拟体内条件和进 行分子水平的分析需要。
肾毒素：HgCl2、CdCl2、Na2CrO4、硝酸铀
酰、苯酚、对氨基苯酚、六氯丁二烯 (HCBD) 、顺铂、 2- 溴乙胺 (BEA) 、丙烯亚 胺(PI)等 肝毒素：肼、异硫氢酸萘 (ANIT) 、半乳糖
胺(GaIN)、羟丁基甲苯(BHT)
例 1. 各 种 肾 毒 素 对 大 鼠 尿 液 1H NMR 谱的影响。 A, 对照组； B ， 20 mg/kg Na2CrO4( 肾 脏 近 曲小管毒 ) 组； C ， 50 mg/kg 对氨基 苯酚( 肾脏近直小 管毒 ) 组； D ， 50 mg/kg 丙 烯 亚 胺 (令肾髓质坏死) 组 ； E ， 250 mg/kg 2- 溴 乙 胺 ( 产生急性肾乳头 坏死)组。
代谢组学
(metabonomics/metabolomics)
(Systems Biology)
蛋白质组(proteome) 转录组(transcriptome) 基因组(genome)
蛋白质组学(proteomics) 转录组学(transcriptomics) 基因组学(genomics)
系 统 生 物 学
不同组学关系及分析技术
Gene
NMR, GC&MS
Metabolomics is More Time Sensitive Than Other “Omics”
Response
Metabolomics
Response
Proteomics
Response
Genomics
Time
各种组学技术的比较
Genomics Target Gene, material chromosome (genetic code) MW Charact eristics 100,000120,000 Context independent Transcriptomics mRNA (genetic code) 100,000-120,000 Context dependent Sequencing Proteomics Protein (function of the protein) 5,000-20,000 Context dependent Metabonomics Low molecular weight metabolites 100- 5000 Context dependent
et
al.:
1999
Nicholson:
Definition Metabonomics
of
Nicholson, Lindon, Publication 2001 Holmes:
and
in
Holmes and Antti : Explanation
of statistics in Metabonomics
核磁共振
核磁共振波谱
(NMR, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)
二、代谢组学概述
代谢组学的定义
Jeremy K Nicholson Imperial College London，UK
技术：NMR 动物代谢分析： 动物的体液和组织
Metabonomics: the quantitative measurement of the multi-parametric metabolic response of living systems to pathophysiological stimuli or genetic modifications 对生物系统因病理生理或基因改变等刺激所致动态 多参数代谢应答的定量测定。
Analysis Mapping, sequencing
Separation, Separation, characterizat characterizatio ion n
Methods DNA sequencer
Human 30,000 genome
Hybridization
2D gel, Maldi NMR, MS, GC, TOF LC
Poor
Extensive Yes Impossible Fair High Fair
Fair
Extensive Yes Almost impossible High High Fair
Rich
Little No Yes High Low Low
Cost per sample
Fair/low
Fair
1982 1983
Nicholson,
Multi1984 component analysis of spectra data from rat urine
et
al.:
Sadler, Buckingham and Nicholson: First publication
on 1H-NMR of blood and plasma
♥ NMR方法可以进行实时和动态的检测。
基于NMR的代谢组学的特点
♥ 分析组织的高分辨魔角旋转(HR-MAS) NMR方法：消除了磁场不均匀性、化学位 移各向异性和偶极－偶极相互作用带来的 谱线增宽影响，从而可以获得与液体高分 辨NMR 相媲美的分辨率。 ♥ 无偏向性: NMR对所有化合物的灵敏度是一 样的, 氢谱中谱峰和化合物的氢原子是一一 对应的, 所测的每个氢原子都有其相关的谱 峰, 并且信号的强弱反映样品中各组分的相 对含量。
O. Fiehn. Plant Mol. Biol., 2002, 48: 155–171.
代谢组学的发展 1970
Van De Greef: publication of
MS for urine profiling
Horming, et al.: Metabolic
profiles of metabolites in human
1989 Nicholson and Wilson: NMR
spectroscopy of biofluids
Oliver:
Metabolome
Definition
of 1997
Hase来自百度文库den,
First independent Pharma 2000 publication of Metabonomics
基于核磁共振技术 的代谢组学研究进展
1. 生命科学领域的核磁共振技术 2. 代谢组学概述 3. 基于核磁共振的代谢组学研究进展
一、生命科学领域的核磁共振
磁共振成像
(NMRI, Nuclear Magnetic Resonance Imaging)
磁共振定域谱
(MRS, Magnetic Resonance Spectroscopy)
Nature on Metabonomics
2002 2004 Increasing # of publications
代谢组学的中心任务
对生物体液和组织中内源性代谢物质进行系统测量和分 析。
对生物体在受到病理生理上的刺激以及某种基因修饰所
带来的代谢物的动态变化进行量化和编录，从而得到生 物体代谢随时间及生化过程的变化而改变的信息。 将这些信息与病生理过程中的生物学事件关联起来，从 而确定此变化规律相关的靶器官和作用部位，进而确定