代謝組學(xué)-生物化學(xué)與分子生物學(xué)課件

代謝組學(xué)學(xué)生：趙珊夏常艷王亮根李戇敏2008.10.26

代謝組學(xué)代謝組學(xué)的定義代謝組學(xué)(metabonomics/metabolomics)是關(guān)于生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律的科學(xué)。代謝組學(xué)的中心任務(wù)包括檢測(cè)、量化和編錄生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律，聯(lián)系該變化規(guī)律與所發(fā)生的生物學(xué)事件或過程的本質(zhì)。有人認(rèn)為，“基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)告訴你什么可能會(huì)發(fā)生，而代謝組學(xué)則告訴你什么確實(shí)發(fā)生了?！保˙illLasley,UCDavis）代謝組學(xué)的定義代謝組學(xué)(metabonomics/meta研究手段分析方法色譜-質(zhì)譜聯(lián)儀方法磁共振波譜法色譜-核磁-質(zhì)譜聯(lián)儀法數(shù)據(jù)分析處理非指導(dǎo)性(unsupervised)方法主成分分析(principalcomponentanalysis，PCA)指導(dǎo)性(supervised)方法偏最小二乘法為基礎(chǔ)的分析(partialleastsquare,PLS)研究手段分析方法應(yīng)用在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

代謝組變化的分析可以與基因或表達(dá)改變的后果聯(lián)系起來，從而認(rèn)識(shí)相關(guān)基因的功能動(dòng)物宿主代謝和體內(nèi)菌群代謝相關(guān)性的整合研究在藥物研發(fā)中的應(yīng)用用于藥物篩選、藥物毒理、藥理和臨床評(píng)價(jià)等諸多方面在病理生理研究中的應(yīng)用高血壓、多種腫瘤、老年骨質(zhì)疏松、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、可傳染性腦病、血吸蟲病、應(yīng)激、腸炎和克朗氏病、衰老、腸道綜合征、糖尿病和肝炎、先天性代謝疾病等疾病營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)

表兒茶素影響動(dòng)物代謝組、大豆異黃酮影響人體代謝組、長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸動(dòng)物代謝組影響應(yīng)用在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

基于LCMS和NMR的番茄代謝組學(xué)相關(guān)性分析

（Intra-andinter-metabolitecorrelationspectroscopyoftomatometabolomicsdataobtainedbyliquidchromatography-massspectrometryandnuclearmagneticresonance）作者：SofiaMoco,JennyForshed,RicC.H.DeVos,RaoulJ.bino,JacquesVeroort文獻(xiàn)來源：Metabolomics(2008)4:202–215DOI10.1007/s11306-008-0112-8

基于LCMS和NMR的番茄代謝組學(xué)相關(guān)性分析（Int前言NMR和LCMS是代謝學(xué)研究的常用的技術(shù)手段。將同一樣品的NMR和LCMS譜圖分析獲取的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合，這就可以了解同一代謝物的光譜及其性質(zhì)的關(guān)系。相關(guān)性分析是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可用于建立一生物系統(tǒng)代謝物信息的相互關(guān)系。在本文中，利用1HNMR和精確質(zhì)量液相—四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（LS-QTOF-MS）技術(shù)分析50種蕃茄栽培品種成熟果實(shí)的代謝譜圖。前言NMR和LCMS是代謝學(xué)研究的常用的技術(shù)手段。材料和方法50個(gè)蕃茄栽培品種（94種基因型，華盛頓的溫室）六種標(biāo)準(zhǔn)品（L-Trp，D-(+)-Glc，檸檬酸，蘆丁,氯原酸,α-蕃茄素）樣品前處理蕃茄切片→氮冷凍→-80℃保存→冷凍干燥→精確稱取0.3克干粉→加1.2ml甲醇→超聲15min→3000g離心5min→φ0.2μm過濾→取600μl,NMR分析→稀釋4倍,LCMS分析（4℃條件下進(jìn)行）。材料和方法50個(gè)蕃茄栽培品種（94種基因型，華盛頓的溫室）NMR分析500MHzBrukerAMXNMR光譜（5mmTXI探針，298K）+BrukerXWIN-NMRversion2.1（傅里葉變換）LCMS分析（LC-QTOF-MS）WatersAlliance2795系統(tǒng)+分析柱+HTWaters2996PDA檢測(cè)器+QTOFUltimaV4.00.00質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理軟件：MATLABversion7.10主成分分析（PCA）相關(guān)性分析：Pearson相關(guān)性系數(shù)馬爾距離：MD＝NMR分析結(jié)果與討論1HNMR分析LCMS分析標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS響應(yīng)值樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性結(jié)果與討論1HNMR分析1HNMR分析

芳香族化合物區(qū)糖區(qū)氨基酸區(qū)檢測(cè)方法是建立先前報(bào)導(dǎo)的番茄樣品研究結(jié)果和基于NMR的數(shù)據(jù)庫(kù)。初級(jí)代謝物：濃度高次級(jí)代謝物：種類多1HNMR分析

芳香族化合物區(qū)糖區(qū)氨基酸區(qū)檢測(cè)方法是建立先LCMS分析

代謝譜圖與以前報(bào)導(dǎo)相似（MOCOet2006)檢測(cè)方法基于先前出版的番茄代謝組學(xué)的LCMS數(shù)據(jù)庫(kù)LCMS分析

代謝譜圖與以前報(bào)導(dǎo)相似（MOCOet200NMR/LCMS數(shù)據(jù)的PCA櫻桃番茄與牛肉番茄和圓番茄的代謝差異較大，牛肉番茄和圓番茄的代謝相似NMR/LCMS數(shù)據(jù)的PCA櫻桃番茄與牛肉番茄和圓番茄的代謝標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS劑量效應(yīng)六種標(biāo)準(zhǔn)品在兩種方法的計(jì)量效應(yīng)關(guān)系。在NMR中，儀器響應(yīng)是呈線性關(guān)系（所有共振和被測(cè)的代謝物，相關(guān)性系數(shù)均值為1）。新型MS檢測(cè)范圍更廣，本實(shí)驗(yàn)中，其檢測(cè)響應(yīng)在母離子強(qiáng)度達(dá)到20000個(gè)/掃描時(shí)呈線形的標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS劑量效應(yīng)六種標(biāo)準(zhǔn)品在兩種方法的計(jì)量效樣品NMR-NMR信號(hào)的相關(guān)性

將取準(zhǔn)后的蕃茄樣品NMR信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析來鑒定品系數(shù)據(jù)矩陣中有相關(guān)的NMR信號(hào)。相關(guān)系數(shù)|r|≥0.8→有相關(guān)1008個(gè)NMR譜峰，>30000相關(guān)（置信區(qū)間α＝3.0%）理論上不同樣品中同一化合物顯著相關(guān)，如蕃茄樣中的葫蘆巴堿（A）、蔗糖（B）、檸檬酸（C）證明這點(diǎn)。樣品NMR-NMR信號(hào)的相關(guān)性

將取準(zhǔn)后的蕃茄樣品NMR信號(hào)樣品中胡蘆巴堿信號(hào)強(qiáng)度低→其部分質(zhì)子高度去屏蔽化→其部分共振區(qū)間出現(xiàn)空白（如在9.2&8.9ppm）蔗糖在5.385ppm處強(qiáng)特征信號(hào)；在3-4.5ppm處有重疊（游離糖，糖代謝物）→蔗糖在蕃茄中含量高。相關(guān)性分析（可從一組混雜的信號(hào)中分出同一化合物的信號(hào)）→內(nèi)源代謝物鑒定變得容易樣品中胡蘆巴堿信號(hào)強(qiáng)度低→其部分質(zhì)子高度去屏蔽化→其部分共振樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

3374個(gè)質(zhì)譜信號(hào)，>130000明顯相關(guān)（α＝1.2%）。同一代謝物中質(zhì)譜信號(hào)中相關(guān)度最明顯的是蔗糖(r>0.96)。三個(gè)化合物的分析情況：蔗糖(341m/z)、Phe(164m/z)和氯原酸(353m/z,保留時(shí)間14.9min)。樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

3374個(gè)質(zhì)譜信號(hào)，>1蔗糖(341m/z)—387m/z=[蔗糖+HCOOH-H]-,683m/z=[蔗糖+蔗糖-H]-,684m/z=2ndisotopeof[蔗糖+蔗糖-H]-,1,025m/z=[蔗糖+蔗糖+蔗糖-H]-氯原酸II(353m/zat14.9min)—677m/zat40.7min=[三氯原酸acidII-H]-,677m/zat39.4min=[三氯原酸

I-H]-,515m/zat30.7min=[二氯原酸

III-H]-,515m/zat28.6min=[二氯原酸

II-H]-,515m/zat27.9min=[二氯原酸

I-H]-,353m/zat13.2min=[氯原酸

I-H]-.氯原酸不但與其特異異構(gòu)體還和其衍生物高度相關(guān)→蕃茄中有一系列的氯原酸衍生物；可鑒定復(fù)雜混合物中生物化學(xué)高度相關(guān)的化合物；顯著（r>0.8）的LCMS-LCMS相關(guān)不僅在同一代謝物中還在化學(xué)相關(guān)的代謝物中。蔗糖(341m/z)—387m/z=[蔗糖+HCOO生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

LCMS信號(hào)×NMR譜峰（3374×1008）514個(gè)顯著正相關(guān)，47個(gè)顯著負(fù)相關(guān)（α＝0.016%，6%的數(shù)據(jù)參與相關(guān)性配對(duì)）NMR-LCMS相關(guān)性圖（|r|≥0.8）NMR-LCMS顯著相關(guān)的網(wǎng)狀圖觀察到的NMR-LCMS變量相關(guān)性是變量間不同相互作用的結(jié)果生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

LCMS信號(hào)×NMRSectionofthecorrelationmapofNMR–LCMSfortomatofruit:[3.005–6.995ppm(NMR);2,900–3,100(LCMSpeaknumber)=(23.12–27.55min)].Horizontally,theNMRbuckets(ppm)ofthesamplesareoverlaidandverticallytheLCMSpeaknumbers(peaknumbersincreasewithretentiontimeandm/z)ofthesamplesareoverlaid.Inthecentralframe,thecorrelationcoefficients,r,forNMR–LCMScorrelationsaredisplayedasablue-redheatmapSectionofthecorrelationmap最大的簇A包含>50%的節(jié)點(diǎn)，特征性NMR質(zhì)譜為糖峰（除8.205ppm）,隨后的峰可能是甲酸，與一系列信號(hào)高度相關(guān)，大多糖都是這個(gè)簇LCMS信號(hào)（游離糖、糖基化的生物堿和皂素）。在5.375、5385和5.395ppm處的峰相當(dāng)于糖的異頭物，與該簇75%信號(hào)相關(guān)→蕃茄中有豐富的糖基化代謝物。第二大簇B為柚皮素和柚皮酮衍生物信號(hào)。8種柚皮素和柚皮酮衍生物可由NMR-LCMS相關(guān)性分析法鑒別。本簇有NMR–LCMS相關(guān)性信號(hào)：山奈酚糖苷→黃酮LCMS和NMR信號(hào)的顯著相關(guān)是代謝組數(shù)據(jù)的完善又一途經(jīng)。最大的簇A包含>50%的節(jié)點(diǎn)，特征性NMR質(zhì)譜為糖峰（除8.在0.7<|r|<0.8的數(shù)集中,發(fā)現(xiàn)幾個(gè)有內(nèi)相關(guān)性信號(hào)的代謝產(chǎn)物能相互影響，如蔗糖、Phe和葫蘆巴堿。在0.7<|r|<0.8的數(shù)集中,發(fā)現(xiàn)幾個(gè)有內(nèi)相關(guān)性信推論：由蕃茄代謝譜圖分析技術(shù)獲取的NMR/LCMS中的化學(xué)性重有意義。問題：由NMR/LCMS技術(shù)得出同一代謝物的數(shù)量有困難。展望：A.隨一些技術(shù)改進(jìn)，有助于基于NMR/LCMS技術(shù)的代謝譜圖分析獲取的內(nèi)相關(guān)信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量的優(yōu)化。B.可用于生物標(biāo)記和未知代謝物的分析和堅(jiān)定推論：由蕃茄代謝譜圖分析技術(shù)獲取的NMR/LCMS中的化學(xué)性ThankyouThank

代謝組學(xué)學(xué)生：趙珊夏常艷王亮根李戇敏2008.10.26

代謝組學(xué)代謝組學(xué)的定義代謝組學(xué)(metabonomics/metabolomics)是關(guān)于生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律的科學(xué)。代謝組學(xué)的中心任務(wù)包括檢測(cè)、量化和編錄生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律，聯(lián)系該變化規(guī)律與所發(fā)生的生物學(xué)事件或過程的本質(zhì)。有人認(rèn)為，“基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)告訴你什么可能會(huì)發(fā)生，而代謝組學(xué)則告訴你什么確實(shí)發(fā)生了?！保˙illLasley,UCDavis）代謝組學(xué)的定義代謝組學(xué)(metabonomics/meta研究手段分析方法色譜-質(zhì)譜聯(lián)儀方法磁共振波譜法色譜-核磁-質(zhì)譜聯(lián)儀法數(shù)據(jù)分析處理非指導(dǎo)性(unsupervised)方法主成分分析(principalcomponentanalysis，PCA)指導(dǎo)性(supervised)方法偏最小二乘法為基礎(chǔ)的分析(partialleastsquare,PLS)研究手段分析方法應(yīng)用在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

代謝組變化的分析可以與基因或表達(dá)改變的后果聯(lián)系起來，從而認(rèn)識(shí)相關(guān)基因的功能動(dòng)物宿主代謝和體內(nèi)菌群代謝相關(guān)性的整合研究在藥物研發(fā)中的應(yīng)用用于藥物篩選、藥物毒理、藥理和臨床評(píng)價(jià)等諸多方面在病理生理研究中的應(yīng)用高血壓、多種腫瘤、老年骨質(zhì)疏松、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、可傳染性腦病、血吸蟲病、應(yīng)激、腸炎和克朗氏病、衰老、腸道綜合征、糖尿病和肝炎、先天性代謝疾病等疾病營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)

表兒茶素影響動(dòng)物代謝組、大豆異黃酮影響人體代謝組、長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸動(dòng)物代謝組影響應(yīng)用在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

基于LCMS和NMR的番茄代謝組學(xué)相關(guān)性分析

（Intra-andinter-metabolitecorrelationspectroscopyoftomatometabolomicsdataobtainedbyliquidchromatography-massspectrometryandnuclearmagneticresonance）作者：SofiaMoco,JennyForshed,RicC.H.DeVos,RaoulJ.bino,JacquesVeroort文獻(xiàn)來源：Metabolomics(2008)4:202–215DOI10.1007/s11306-008-0112-8

基于LCMS和NMR的番茄代謝組學(xué)相關(guān)性分析（Int前言NMR和LCMS是代謝學(xué)研究的常用的技術(shù)手段。將同一樣品的NMR和LCMS譜圖分析獲取的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合，這就可以了解同一代謝物的光譜及其性質(zhì)的關(guān)系。相關(guān)性分析是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可用于建立一生物系統(tǒng)代謝物信息的相互關(guān)系。在本文中，利用1HNMR和精確質(zhì)量液相—四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（LS-QTOF-MS）技術(shù)分析50種蕃茄栽培品種成熟果實(shí)的代謝譜圖。前言NMR和LCMS是代謝學(xué)研究的常用的技術(shù)手段。材料和方法50個(gè)蕃茄栽培品種（94種基因型，華盛頓的溫室）六種標(biāo)準(zhǔn)品（L-Trp，D-(+)-Glc，檸檬酸，蘆丁,氯原酸,α-蕃茄素）樣品前處理蕃茄切片→氮冷凍→-80℃保存→冷凍干燥→精確稱取0.3克干粉→加1.2ml甲醇→超聲15min→3000g離心5min→φ0.2μm過濾→取600μl,NMR分析→稀釋4倍,LCMS分析（4℃條件下進(jìn)行）。材料和方法50個(gè)蕃茄栽培品種（94種基因型，華盛頓的溫室）NMR分析500MHzBrukerAMXNMR光譜（5mmTXI探針，298K）+BrukerXWIN-NMRversion2.1（傅里葉變換）LCMS分析（LC-QTOF-MS）WatersAlliance2795系統(tǒng)+分析柱+HTWaters2996PDA檢測(cè)器+QTOFUltimaV4.00.00質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理軟件：MATLABversion7.10主成分分析（PCA）相關(guān)性分析：Pearson相關(guān)性系數(shù)馬爾距離：MD＝NMR分析結(jié)果與討論1HNMR分析LCMS分析標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS響應(yīng)值樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性結(jié)果與討論1HNMR分析1HNMR分析

芳香族化合物區(qū)糖區(qū)氨基酸區(qū)檢測(cè)方法是建立先前報(bào)導(dǎo)的番茄樣品研究結(jié)果和基于NMR的數(shù)據(jù)庫(kù)。初級(jí)代謝物：濃度高次級(jí)代謝物：種類多1HNMR分析

芳香族化合物區(qū)糖區(qū)氨基酸區(qū)檢測(cè)方法是建立先LCMS分析

代謝譜圖與以前報(bào)導(dǎo)相似（MOCOet2006)檢測(cè)方法基于先前出版的番茄代謝組學(xué)的LCMS數(shù)據(jù)庫(kù)LCMS分析

代謝譜圖與以前報(bào)導(dǎo)相似（MOCOet200NMR/LCMS數(shù)據(jù)的PCA櫻桃番茄與牛肉番茄和圓番茄的代謝差異較大，牛肉番茄和圓番茄的代謝相似NMR/LCMS數(shù)據(jù)的PCA櫻桃番茄與牛肉番茄和圓番茄的代謝標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS劑量效應(yīng)六種標(biāo)準(zhǔn)品在兩種方法的計(jì)量效應(yīng)關(guān)系。在NMR中，儀器響應(yīng)是呈線性關(guān)系（所有共振和被測(cè)的代謝物，相關(guān)性系數(shù)均值為1）。新型MS檢測(cè)范圍更廣，本實(shí)驗(yàn)中，其檢測(cè)響應(yīng)在母離子強(qiáng)度達(dá)到20000個(gè)/掃描時(shí)呈線形的標(biāo)準(zhǔn)品的NMR和LCMS劑量效應(yīng)六種標(biāo)準(zhǔn)品在兩種方法的計(jì)量效樣品NMR-NMR信號(hào)的相關(guān)性

將取準(zhǔn)后的蕃茄樣品NMR信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析來鑒定品系數(shù)據(jù)矩陣中有相關(guān)的NMR信號(hào)。相關(guān)系數(shù)|r|≥0.8→有相關(guān)1008個(gè)NMR譜峰，>30000相關(guān)（置信區(qū)間α＝3.0%）理論上不同樣品中同一化合物顯著相關(guān)，如蕃茄樣中的葫蘆巴堿（A）、蔗糖（B）、檸檬酸（C）證明這點(diǎn)。樣品NMR-NMR信號(hào)的相關(guān)性

將取準(zhǔn)后的蕃茄樣品NMR信號(hào)樣品中胡蘆巴堿信號(hào)強(qiáng)度低→其部分質(zhì)子高度去屏蔽化→其部分共振區(qū)間出現(xiàn)空白（如在9.2&8.9ppm）蔗糖在5.385ppm處強(qiáng)特征信號(hào)；在3-4.5ppm處有重疊（游離糖，糖代謝物）→蔗糖在蕃茄中含量高。相關(guān)性分析（可從一組混雜的信號(hào)中分出同一化合物的信號(hào)）→內(nèi)源代謝物鑒定變得容易樣品中胡蘆巴堿信號(hào)強(qiáng)度低→其部分質(zhì)子高度去屏蔽化→其部分共振樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

3374個(gè)質(zhì)譜信號(hào)，>130000明顯相關(guān)（α＝1.2%）。同一代謝物中質(zhì)譜信號(hào)中相關(guān)度最明顯的是蔗糖(r>0.96)。三個(gè)化合物的分析情況：蔗糖(341m/z)、Phe(164m/z)和氯原酸(353m/z,保留時(shí)間14.9min)。樣品LCMS-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

3374個(gè)質(zhì)譜信號(hào)，>1蔗糖(341m/z)—387m/z=[蔗糖+HCOOH-H]-,683m/z=[蔗糖+蔗糖-H]-,684m/z=2ndisotopeof[蔗糖+蔗糖-H]-,1,025m/z=[蔗糖+蔗糖+蔗糖-H]-氯原酸II(353m/zat14.9min)—677m/zat40.7min=[三氯原酸acidII-H]-,677m/zat39.4min=[三氯原酸

I-H]-,515m/zat30.7min=[二氯原酸

III-H]-,515m/zat28.6min=[二氯原酸

II-H]-,515m/zat27.9min=[二氯原酸

I-H]-,353m/zat13.2min=[氯原酸

I-H]-.氯原酸不但與其特異異構(gòu)體還和其衍生物高度相關(guān)→蕃茄中有一系列的氯原酸衍生物；可鑒定復(fù)雜混合物中生物化學(xué)高度相關(guān)的化合物；顯著（r>0.8）的LCMS-LCMS相關(guān)不僅在同一代謝物中還在化學(xué)相關(guān)的代謝物中。蔗糖(341m/z)—387m/z=[蔗糖+HCOO生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

LCMS信號(hào)×NMR譜峰（3374×1008）514個(gè)顯著正相關(guān)，47個(gè)顯著負(fù)相關(guān)（α＝0.016%，6%的數(shù)據(jù)參與相關(guān)性配對(duì)）NMR-LCMS相關(guān)性圖（|r|≥0.8）NMR-LCMS顯著相關(guān)的網(wǎng)狀圖觀察到的NMR-LCMS變量相關(guān)性是變量間不同相互作用的結(jié)果生物學(xué)樣品NMR-LCMS信號(hào)的相關(guān)性

LCMS信號(hào)×NMRSectionofthecorrelationmapofNMR–LCMSfortomatofruit:[3.005–6.995ppm(NMR);2,900–