代謝組學(xué)概述

1、代謝組學(xué)概述代謝組學(xué)(metabonomics/metabolomics是效仿基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究思想，對(duì)生物體內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的相對(duì)關(guān)系的研究方式，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分。其研究對(duì)象大都是相對(duì)分子質(zhì)量1000以內(nèi)的小分子物質(zhì)。先進(jìn)分析檢測(cè)技術(shù)結(jié)合模式識(shí)別和專家系統(tǒng)等計(jì)算分析方法是代謝組學(xué)研究的基本方法。一：代謝組學(xué)分析流程一般來(lái)說(shuō)，代謝組的分析流程有：首先將代謝組分進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的方法由測(cè)量分析方法決定，如使用質(zhì)譜方法分析，則需要預(yù)先對(duì)代謝組分進(jìn)行分離和離子化。接著，再對(duì)預(yù)處理后的組分進(jìn)行定性和定量分析。預(yù)處理中，常用分離方法包括：氣相色譜(Ga

2、schromatographyGC),高效液相色譜(Highperformanceliquidchromatography,HPLC)。氣相色譜具有較高的分辨率，但需要對(duì)代謝組分進(jìn)行氣化，并且對(duì)組分分子質(zhì)量有一定的限制。高效液相色譜也在代謝組分析中被廣泛地使用，因其在液相中對(duì)代謝組分進(jìn)行分離，因此不用對(duì)組分進(jìn)行氣化，相較氣相色譜具有測(cè)量范圍更廣，更靈敏的優(yōu)點(diǎn)。止匕外，毛細(xì)管電泳法(Capillaryelectrophoresis)也可以對(duì)代謝組分進(jìn)行分離，其應(yīng)用較少，但在理論上其分離效率比高效液相色譜法高。在預(yù)處理時(shí)，常常會(huì)加入內(nèi)參(internalstandards),以方便后續(xù)對(duì)樣品的質(zhì)量

3、進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)比，由于不同的實(shí)驗(yàn)批次、樣品順序?qū)罄m(xù)測(cè)量也有一定對(duì)影響，因此，還會(huì)加入空對(duì)照和混合樣品對(duì)照來(lái)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。對(duì)不同的代謝組分進(jìn)行定性和定量分析的方法包括質(zhì)譜分析法(MassspectrometryMS)和核磁共振譜(NuclearMagneticResonanceImaging,NMR)等。其中，質(zhì)譜分析法具有靈敏度高，特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)代謝組分，可以對(duì)經(jīng)過(guò)分離、離子化處理后的代謝組分進(jìn)行定性和定量。離子化的方法包括：大氣壓化學(xué)電離(Atmospheric-pressurechemicalionization,APCI),電子電離(Electronionizatio

4、n,EI),以及電噴霧電離(Electrosprayionization,ESI)等，需要根據(jù)不同的分離方法選用。例如電噴霧電離，常用于被液相色譜進(jìn)行分離的組分。但由于質(zhì)譜并不能直接對(duì)生物溶液或組織進(jìn)行檢測(cè)，其應(yīng)用一直受限。為了提高原有的質(zhì)譜分析法的靈敏性，使樣品的準(zhǔn)備簡(jiǎn)單化，減少背景的影響，一些新的質(zhì)譜相關(guān)技術(shù)得以產(chǎn)生。這些技術(shù)包括：二次離子質(zhì)譜(Secondary-ionmassspectrometry,SIMS)和納米結(jié)構(gòu)引發(fā)器質(zhì)譜(Nanostructure-InitiatorMS,NIMS),屬于去吸附/離子化方法，這兩種技術(shù)都不依賴基質(zhì)。其中，SIMS使用高能離子束使樣品接觸表面解

5、吸，具有高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，與質(zhì)譜串聯(lián)后是用于器官/組織造影的有力技術(shù)。而NIMS可用于小分子的檢測(cè)?；|(zhì)輔助激光脫附電離(Matrix-assistedlaserdesorption/ionization,MALDI)是一種較為溫和的離子化方法，可以得到用常規(guī)離子化方法容易解離為碎片的一些完整大分子質(zhì)譜信息，如DNA、蛋白質(zhì)、多肽和糖等。解析電噴霧電離(Desorptionelectrosprayionization,DESI)是一種直接電離技術(shù)，可以與質(zhì)譜串聯(lián)后，直接對(duì)大氣條件下的樣品分析。其原理是利用快速移動(dòng)的帶電溶液流來(lái)提取接觸表面的樣品，可用于取證分析、藥物、植物、生物組織、高聚物等

6、的分析。激光燒蝕電噴霧電離(LaserAblationElectrosprayIonization,LAESI)是一種結(jié)合了中紅外激光燒蝕和二次電噴霧電離的直接電離技術(shù)，可用于廣泛的樣品，包括植物、組織、細(xì)胞，甚至是未經(jīng)處理的生物溶液如血液、尿液等。已被用于食品監(jiān)管、藥物監(jiān)管等領(lǐng)域。核磁共振譜不需要預(yù)先對(duì)代謝組分進(jìn)行分離，相較質(zhì)譜而言，核磁共振譜具有結(jié)果可重復(fù)性好，樣品準(zhǔn)備較簡(jiǎn)單，不用預(yù)先分離，對(duì)樣品破壞性低等優(yōu)點(diǎn)，盡管靈敏性相較質(zhì)譜低(存在爭(zhēng)議，部分學(xué)者認(rèn)為這是樣品預(yù)處理工作流程不正確造成的)，但因其易于使用，因此應(yīng)用也十分廣泛。除此之外，其他的檢測(cè)方法還有：離子遷移率光譜(Ion-mobi

7、lityspectrometry,IMS)是一種基于離子化的分子在在氣相載體中的遷移來(lái)分離和分析這些分子的技術(shù)，具有很高的靈敏度，可以單獨(dú)使用，也可以和質(zhì)譜、氣相色譜或液相色譜串聯(lián)使用。電化學(xué)檢測(cè)串聯(lián)高效液相色譜(electrochemicaldetectiontechniquescoupledwithhigh-performanceliquidchromatography,HPLC-ECD)可以用于測(cè)量復(fù)雜基質(zhì)中低含量的組分，具有易用性、靈敏性、選擇性，已被用于臨床研究、食品檢測(cè)、藥物檢測(cè)等領(lǐng)域。拉曼光譜(Ramanspectroscopy基于振動(dòng)光譜學(xué)，能夠檢測(cè)化合物結(jié)構(gòu)和其微小變化，具有

8、不破壞樣品、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)易、高空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于臨床病理學(xué)研究、微生物的分類和檢測(cè)、化合物的分析等領(lǐng)域。二：代謝組學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)(及常用軟件)常用的代謝組學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)有人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)(HumanMetabolomeDatabaseHMDB)、KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)、Reactome數(shù)據(jù)庫(kù)()等，一一介紹如下：人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)(HMDB)是代謝組學(xué)熱門數(shù)據(jù)庫(kù)之一，包含人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的小分子代謝物的詳細(xì)信息，包含不少于79,650種代謝物條目。SMPDB數(shù)據(jù)庫(kù)與HMDB關(guān)聯(lián)，包含約700種人類代謝和疾病途徑的途徑圖。KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)是代謝組熱門數(shù)據(jù)庫(kù)之一，包

9、含代謝通路和互作網(wǎng)絡(luò)信息。Reactome數(shù)據(jù)庫(kù)主要收集了人體主要代謝通路信息以及重要反應(yīng)。MassBank數(shù)據(jù)庫(kù)主要收集許多高分辨率低代謝組分的譜圖。BioCyc數(shù)據(jù)庫(kù)包含通路和基因組數(shù)據(jù)。METLIN數(shù)據(jù)庫(kù)，是商業(yè)化的代謝組及串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，包含有約43000種代謝物和22000個(gè)MS/MS譜圖。FiehnLib數(shù)據(jù)庫(kù)是商業(yè)化的代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)，包含約1000個(gè)保守的代謝分子的EI光譜。NIST/EPA/NIHMassSpectralLibrary數(shù)據(jù)庫(kù)也是商業(yè)化的代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)，包含超過(guò)190,000個(gè)EI譜圖。BioCyc數(shù)據(jù)庫(kù)收集了通路和基因組數(shù)據(jù)，可以免費(fèi)使用。MetaCyc數(shù)據(jù)庫(kù)廣泛收

10、集了許多來(lái)自不同生物體的代謝通路以及酶的信息，囊括了超過(guò)51000篇文獻(xiàn)。MMCD數(shù)據(jù)庫(kù)收集有超過(guò)10000種代謝物的信息以及它們的質(zhì)譜和核磁共振譜數(shù)據(jù)，大多數(shù)是擬南芥的代謝物。三：代謝組學(xué)與其他組學(xué)數(shù)據(jù)整合如何更好地整合各種組學(xué)數(shù)據(jù)目前仍是生物學(xué)界面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，并且有時(shí)還要面對(duì)不夠完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、不同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)的整合。常用的方法是代謝通路水平的分析、生物網(wǎng)絡(luò)分析、經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)分析等。有一些軟件或網(wǎng)站可以提供現(xiàn)成的整合多種組學(xué)數(shù)據(jù)的分析。如可以進(jìn)行代謝通路富集分析的有：IMPaLA網(wǎng)站，使用了來(lái)自11個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等3000多個(gè)代謝通路的信息，可以用于整合多種組學(xué)的分析；此外還有iPEAP軟件

11、，MetaboAnalyst網(wǎng)站等也可以提供代謝通路富集分析。提供生物網(wǎng)絡(luò)分析的包括：SAMNetWeb網(wǎng)站，可以提供轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的通路腹肌分析和網(wǎng)絡(luò)分析；pwOmics包，是R軟件包，能夠由隨著時(shí)間變化的數(shù)轉(zhuǎn)錄組和蛋白組信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；相似的軟件還有MetaMapR（R軟件包，擁有用戶界面）、MetScape（Cytoscape插件）、Grinn（R軟件包）等?？梢赃M(jìn)行經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)分析的有：WGCNA（R軟件包），可以基于相關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)多種組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析；其他R軟件包還有MixOmic、DiffCorr、qpgraphhuge。四：代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法及策略得到代謝組學(xué)數(shù)據(jù)后

12、，需要使用軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行讀取和分析，確定原始數(shù)據(jù)里面含有的代謝組分的成分，含量。有許多統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件可以對(duì)核磁共振譜、質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析。XCMS是常用的用于讀取、分析質(zhì)譜原始數(shù)據(jù)的免費(fèi)軟件，類似的常用軟件還有MZmine2、MetAlign、MathDAMP、LCMStats等。一旦得到代謝組分成分和含量，可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。常用的分析方法有主成分分析(principalcomponentanalysis,PCA),偏最小二乘回歸，聚類分析等，差異表達(dá)分析等。還可以使用前面提到的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行功能、通路富集分析。參考網(wǎng)站和文獻(xiàn)：1 https:en.wikipedia.

13、org/wiki/Metabolomics#Statistical_methods2 /wiki/%E5%9F%BA%E8%B4%A8%E8%BE%85%E5%8A%A9%E6%BF%80%E5%85%89%E8%A7%A3%E5%90%B8/%E7%94%B5%E7%A6%BB3 /publications/public_pdf/172_greving_2011.pdf4 /wiki/Desorption_electrospray_ionization5 /wiki/Laser_ablation_electrospray_ionization6 /wiki/Ion-mobility_spectrometry7 /wiki/Secondary_ion_mass_spectromet