代谢组学

系统生物学（systems biology）
研究一个生物系统中所有组成成分（基因、 mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下 这些组分间的相互关系的学科。
目的是根据细胞内基因、蛋白质、代谢物以及 细胞器等组分间的时空相互关系构建生物网络, 了解生物行为，组学研究技术的发展极大地推 动了系统生物学的研究。
二 代谢组学的研究方法
运用核磁共振(NMR)、质谱(MS)、气质联用技术 (GC-MS)、高效液相色谱(HPLC)等高通量、高灵敏 度与高精确度的现代分析技术对细胞提取物、组织 提取物和生物体液随时间变化的代谢物浓度进行检 测，结合有效的模式识别方法进行定性、定量和分 类，并将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学 事件关联起来，从而了解机体生命活动的代谢过程。
中科院大连化学物理研究所的许国旺研究员认为上述两 者的研究对象都是代谢物，并没有本质区别，它们都可 称为代谢组学。
代谢组学研究的目的：
定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量。
代谢组学是系统生物学重要组成部分。
细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的， 如细胞信号释放，能量传递，细胞间通信等 都是受代谢物调控的。
代谢组学
刘宁
第一章 绪论
组学（omics）
词根‘-ome’ ：一些种类个体的系统集合。 分子生物学中，组学主要包括：
基因组学（Genomics） 蛋白组学（Proteinomics） 代谢组学（Metabolomics） 转录组学(Transcriptomics） 脂类组学（Lipidomics） 免疫组学（Lmmunomics）
步骤
样品采集和制备 代谢组数据的采集 数据预处理 多变量数据分析 标志物识别 途径分析
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代谢产物分析4个层次
代谢物靶标分析：对个别特定组分分析。 代谢轮廓分析：对预设组分的分析。 代谢组学：特定样品中所有代谢物分析。 代谢指纹分析：比较代谢物指纹图谱。
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代谢组学在各国的科研战略上得到了重视 国家项目计划支持；制药企业
3 代谢组学的特点
1）关注内源化合物； 2）对生物体系的小分子化合物进行定量定性研究； 3）上述化合物的上调和下调指示了与疾病、毒性、
基因修饰或环境因子的影响； 4）上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断
和药物筛选。
代谢组学的优点：
最早起源于代谢轮廓分析（Metabolic profiling)。二 十世纪七十年代，Baylor药学院提出并发表了代谢轮廓 分析的理论。
1975年，Thompson 和Markey利用气相色谱和质谱在代谢 轮廓分析的定量方面取得了较大进展,得到了广泛认同； 八十年代早期应用HPLC和NMR来对代谢物进行分析。
4 代谢组学数据库
京都基因与基因组百科全书
KEGG：提供代谢途径查询，代谢途径包括碳水化合 物、核苷代谢、氨基酸代谢及次生代谢等，不仅提 供了所有可能的代谢途径，而且对催化各步反应的 酶进行全面的注解，是一个全面的有关基因组注释 方面的生物学数据库。
针对代谢组学：METLIN代谢物数据库包含了人的 23000多种内源性和外源性代谢物、小分子药物及 药物代谢物、小肽等。
普遍认为代谢组学的概念是英国帝国理工大学 的Nicholson教授于1999年首先提出来的。
Nicholson因为他在代谢组学发展上的开拓性 贡献，被学术界公认为代谢组学创始人（代谢 组学之父）。
Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E (November 1999). "'Metabonomics': understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data". Xenobiotica 29 (11): 1181–9
代谢浓度范围跨越9个单位：pM-mM
——需要不同的技术手段进行分析
Metabonomics，国内翻译成代谢组学。对生物系统进 行的整体和动态的认识，主要将核磁共振技术应用于健 康与疾病研究，多以来自动物的样品为研究对象。
Metabolomics，国内翻译成代谢物组学。强调分析而 且是静态的认识概念，主要应用色质联用等分析技术， 多用于植物和微生物领域的研究。
利用NMR与转录组技术相结合进行研究, 结果 表 明 TMX 作 用 通 过 降 低 脂 肪 酸 合 成 酶 (fatty acid synthase, FAS)的表达及活性严重影响 了肝脏内脂肪代谢。
1 样品采集与制备
生物样品的收集与制备是代谢组学研究的第一 阶段，也是重要环节之一。
代谢组学的研究对象很广，常用的有生物体液， 包括尿液、血液、组织提取液及活体组织等。 样品的代表性、环境因素也会影响实验结果。
取样、代谢物提取、分析前处理。
2 代谢组数据的采集
采集及预处理后的代谢产物需要选择合适的方法 进行测定。
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Nicholson等人提出metabonomics的概念，并在疾 病治疗、药物筛选等方面做出了卓有成效的工作。
2 代谢组学研究现状
有关代谢组学的文献数量增长迅速，学术活动 活跃 Metabolomics杂志；中科院大连化物所
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）代谢物种类要远小于基因和蛋白的数目，每个生物体中代 谢产物大约在103数量级，最小的细菌基因组中也几千基因； 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。
分析技术各有优势及适用范围，最好采用联用技 术和多个方法的综合分析。分离分析手段包括： 色谱、质谱、NMR、毛细管电泳、红外光谱、电化 学检测。
NMR对代谢物具有普适性；色谱-质谱联用=色谱： 高分离度、高通量+质谱：普适性、高灵敏度、高 特异性。
色谱：层析分离技术或色层分离技术，是一种分离 复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同 物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的 分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动 相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从 而使各物质达到分离。
基质辅助激光解吸附 飞行时间质谱 （MALDI-TOF-MS）
傅 立 叶 变 换 离 子 回 旋 共 振 质 谱 仪
其它分析技术
• 毛细管电泳（capillary electrophoresis，CE）： 检测离子型化合物
• 傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform infrared spectroscopy，FTIR）基于红外线引起 分子中的化学键振动或转动能级跃迁而产生的吸 收光谱。是所有化合物的红外光谱的叠加，具有 指纹特性。
代谢组学（metabonomics）：
通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受 刺激或扰动后，其代谢产物的变化或其随时间 的变化，来研究生物体系的一门学科。
代谢物的数量：
微生物：1500种 动物：2500种 植物：200 000种以上（拟南芥：5000种）
区别于蛋白质组学和转录组学，代谢物之间化学和物 理性质的差异很大，代谢种类繁多，包括小分子的极 性物质（乙醇）、大分子极性物质（葡糖苷）、非极 性物质和无机物。
由上述分析仪器导出的元数据不能直接用于模 式识别分析，还需要对数据进行预处理。
将元数据转变成适用于多变量分析（主要是模 式识别）的数据形式，使相同的代谢产物在生 成的数据矩阵中由同一变量表示，所有的样品 具有相同的变量数。
最后用于模式识别的二维矩阵数据形式，行代 表样品或实验数目，列代表相应的单个测定指 标（通常为代谢物的信号强度等）。
在毒理学研究中, 组织病理学检测并不提示分 子方面的信息。组织病理学检测往往依赖于病 理检测人员的经验, 这种检测具有一定的主观 性,可提供定性信息, 而不能提供定量信息。
代谢物组成的变化是毒物胁迫对机体造成的最 终影响, 利用代谢组技术可以直接反映毒物对 机体的影响。
它莫西林(tamoxifen, TMX)是一种常用的抗乳 腺癌药物, 可引发非酒精性脂肪肝炎。
3 数据分析平台
代谢组学得到的是大量、多维的信息，对其分 析需要应用一系列的化学计量学方法。
化学计量学：运用数学、统计学、计算机科学 与化学相结合的方法与手段，设计和选择最优 的化学测量方法，解析化学测量数据并最大限 度的获得测量数据所包含的信息。
分为有监督（supervised）学习方法和无监督 （unsupervised）学习方法，常用的模式识别 方法有：主成分分析PCA、偏最小二乘法-判别 分析PLS-DA。
KNApSAcK（http://kanaya.naist.jp/KNApSAcK/)： 涵盖大部分植物物种和代谢化合物关系，包括了4 万多种化合物和8千多种植物物种的信息。
PlantCyc（www.plantcyc.org)阐述了超过350种植 物体内600多种代谢途径
MassBank（www.massbank.jp):日本质谱协会发展 和维护的高分辨率质谱数据库，近25000高分辨率 质谱数据，提供了多种质谱谱图搜索手段。
一 代谢组学简介（metabonomics）
1 概念
代谢（metabolism ）：
生命活动中所有（生物）化学变化的总称，是 生命活动的本质特征和物质基础。
代谢组（metabolome）：
指一个细胞、组织器官或生物体中所有参与生 物体代谢、维持正常功能和生长发育的小分子 化合物的集合, 包含肽、碳水化合物、脂类、 核酸以及异源物质的催化产物等。
气相色谱gas chromatography GC
液相色谱liquid chromatography LC
核磁共振NMR：当前代谢组学研究中的主要技术， 能对样品实现无创性、无偏向的检测，无需繁琐处 理，具有较高的通量和较低的单位样品检测成本。 广泛用于药物毒性、基因功能、疾病的临床诊断。
质谱MS：较高的灵敏度和专属性，LC/ GC色谱-质 谱技术使用广泛，出现很多新技术：超高效液相色 谱/高分辨飞行时间质谱技术、毛细管液相色谱-质 谱联用技术、傅里叶变换离子回旋共振技术。
该联盟开发新的代谢组数据采集、分析方法, 利 用1H-NMR对大鼠和小鼠尿液、血清进行代谢物分析, 对候选药物进行临床前毒副效应研究。
COMET可以评估分析仪器以及生物体的差异对结果 的影响, 提高结果的可重复性, 其最终目的在于 建立药物毒副作用的专家预测系统, 并对种属间 药物毒性差异进行研究。
代谢物更多地反映了细胞所处环境，这与细胞 的营养状态、药物和环境污染物的作用以及其 它外界因素的影响密切相关。
代谢组学分析可以指示细胞、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, 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。
2 代谢组学发展的时代背景
三 代谢组学的应用
1 药物研发
代谢组学在疾病动物模型（包括转基因动物 ） 的确证、药物筛选、药效及毒性评价、作用机 制和临床评价方面有着广泛的应用。
在药物研发过程中, 确定候选药物的药物代谢 动力学、代谢特性以及毒副作用等是必需的, 药物代谢物质的检测、鉴定已经成为药物研发 的首要任务。
5家大制药公司和伦敦帝国学院发起成立了毒物代 谢 组 联 盟 (Consortium for Metabonomic Toxicology, COMET)计划。