代謝組學(xué)教學(xué)課件

代謝組學(xué)的研究

體內(nèi)藥物分析2024/11/231代謝組學(xué)定義通過(guò)考察生物體系（細(xì)胞、組織或生物體）受刺激或擾動(dòng)后（如將某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化后）,其代謝產(chǎn)物的變化或其隨時(shí)間的變化,來(lái)研究生物體系的一門科學(xué)。2024/11/23體內(nèi)藥物分析2代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中后期繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后新近發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科,是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。之后得到迅速發(fā)展并滲透到多項(xiàng)領(lǐng)域。細(xì)胞內(nèi)許多生命活動(dòng)是發(fā)生在代謝物層面的,如細(xì)胞信號(hào)釋放,能量傳遞,細(xì)胞間通信等都是受代謝物調(diào)控的。代謝組學(xué)正是研究代謝組（metabolome)——在某一時(shí)刻細(xì)胞內(nèi)所有代謝物的集合——的一門學(xué)科。2024/11/23為什么要研究代謝組學(xué)呢？體內(nèi)藥物分析3基本概念2024/11/23體內(nèi)藥物分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究核糖核酸轉(zhuǎn)錄過(guò)程蛋白質(zhì)組學(xué)研究生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白質(zhì)及由外部刺激引起的差異基因組學(xué)研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成,即DNA的序列及表達(dá)代謝組學(xué)

研究生物體系(細(xì)胞,組織或生物體)受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變化系統(tǒng)生物學(xué)基因組學(xué)DNAmRNA細(xì)胞蛋白質(zhì)代謝物組織個(gè)體器官轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)轉(zhuǎn)錄組基因組蛋白質(zhì)組代謝組4代謝組學(xué)研究目的代謝組學(xué)研究的目的是定量分析一個(gè)生物系統(tǒng)內(nèi)所有代謝物的含量。代謝組學(xué)分析可以指示細(xì)胞、組織或器官的生化狀態(tài)，協(xié)助闡釋新基因或未知功能基因的功能，并可以揭示生物各代謝網(wǎng)絡(luò)間的關(guān)聯(lián)性，幫助人們更系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生物體。(舉例）研究對(duì)象:作為各種代謝路徑的底物和產(chǎn)物的小分子代謝物（MW<1000）2024/11/23體內(nèi)藥物分析5代謝組學(xué)的優(yōu)點(diǎn)(與基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等其他組學(xué)相比）

基因和蛋白表達(dá)的微小變化會(huì)在代謝物水平得到放大；代謝組學(xué)的研究不需進(jìn)行全基因組測(cè)序或建立大量表達(dá)序列標(biāo)簽的數(shù)據(jù)庫(kù)；代謝物的種類遠(yuǎn)少于基因和蛋白的數(shù)目,每個(gè)生物體中代謝產(chǎn)物大約在103數(shù)量級(jí),而最小的細(xì)菌,其基因組中也有幾千個(gè)基因；生物體液的代謝物分析可反映機(jī)體系統(tǒng)的生理和病理狀態(tài)。2024/11/23體內(nèi)藥物分析6代謝組學(xué)研究步驟樣品采集和預(yù)處理提取滅活儲(chǔ)存數(shù)據(jù)采集NMRMSGC-MSLC-MS數(shù)據(jù)預(yù)處理濾噪重疊峰解析峰對(duì)稱峰匹配標(biāo)準(zhǔn)化歸一化數(shù)據(jù)分析非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法數(shù)據(jù)庫(kù)專家系統(tǒng)體內(nèi)藥物分析2024/11/23途徑分析標(biāo)記物識(shí)別7生物樣品收集與預(yù)處理

代謝組學(xué)研究常用的檢測(cè)技術(shù)，一般不需要對(duì)標(biāo)本特別分離、純化等，但須立即阻斷內(nèi)在酶的活性，常用方法:冷凍/液氮降溫法冷凍、干燥細(xì)胞間仍始終有低水平的代謝活動(dòng)，需盡量避免氧化等活化因素2024/11/23體內(nèi)藥物分析8樣品采集常有樣品:生物體液，包括尿液、血液、組織提取液及活體組織等在代謝組學(xué)研究中，根據(jù)研究對(duì)象、目的和采用的分析技術(shù)不同，所需的樣品提取和預(yù)處理方法各異。代謝產(chǎn)物通常用水或有機(jī)溶劑(如甲醇、己烷等)分別提取，獲得水提取物和有機(jī)溶劑提取物，從而把非極性相和極性相分開(kāi)，以便進(jìn)行分析2024/11/23體內(nèi)藥物分析9

生物樣品預(yù)處理

代謝產(chǎn)物的變化對(duì)分析結(jié)果有較大的影響,在

處理生物樣本時(shí)要特別注意避免由于殘留酶活性或

氧化還原過(guò)程降解代謝產(chǎn)物、產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物。

2024/11/231.微生物和細(xì)胞樣本:迅速鈍化代謝活動(dòng)（淬滅），同時(shí)保持細(xì)胞不裂解

2.動(dòng)物體液（如尿、血、組織、器官、唾液）:采樣后要迅速預(yù)處理，如加入抗凝血?jiǎng)?、防腐劑，并立即冷凍處理?/p>

3.植物樣本:采集后迅速冷凍（液氮），冷凍保存。

4.血清樣品:一定避免反復(fù)凍融。(血液收集在離心管中靜置30分鐘進(jìn)行凝固。離心取上清裝載干凈的離心管中，再離心5分鐘，冷凍保存。）

5.尿液樣品:離心去沉淀，冷凍保存。

體內(nèi)藥物分析10數(shù)據(jù)采集（分析技術(shù)平臺(tái)）NMR非破壞性，無(wú)偏向性預(yù)處理簡(jiǎn)單靈敏度低分辨率不高GC-MS較高分辨率和檢測(cè)靈敏度有可供參考、對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)需衍生化處理不適用于熱不穩(wěn)定物質(zhì)LC-MS不需要衍生化處理適用不穩(wěn)定，不易衍生化，不易揮發(fā)物質(zhì)費(fèi)時(shí)，需純參照物體內(nèi)藥物分析2024/11/2311核磁共振技術(shù)

原理:核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用，且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象，是一種利用原子核在磁場(chǎng)中的能量變化來(lái)獲得關(guān)于核信息的技術(shù).生命科學(xué)領(lǐng)域中常用的有三種:氫譜(1H-NMR)碳譜(13C-NMR)磷譜(31PNMR)

2024/11/23體內(nèi)藥物分析12將準(zhǔn)備好的生物標(biāo)本直接上樣檢測(cè)即可。所得的1H-NMR譜峰與樣品中各化合物的氫原子對(duì)應(yīng),根據(jù)一定的規(guī)則或與標(biāo)準(zhǔn)氫譜比照可以直接鑒定出代謝物的化學(xué)成分,信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)弱則反映了各成分的相對(duì)含量。不同樣品的代謝物圖譜有其特質(zhì)性,可對(duì)這種特質(zhì)性進(jìn)行區(qū)分、鑒定。

氫譜(1HNMR)

2024/11/23體內(nèi)藥物分析上樣圖譜分析化學(xué)成分、相對(duì)含量區(qū)分、鑒定13質(zhì)譜技術(shù)

色譜和電泳等分離方法與質(zhì)譜分析相結(jié)合為復(fù)雜代謝物的在線分離分析提供有力的手段,如氣質(zhì)聯(lián)用(GC一MS)、液質(zhì)聯(lián)用LC一MS和毛細(xì)管電泳一質(zhì)譜聯(lián)用(CE一MS)

2024/11/23體內(nèi)藥物分析組分離子源離子加速電場(chǎng)離子束質(zhì)量分析器質(zhì)譜圖14質(zhì)譜

將預(yù)處理的體液或是組織(根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,可將組織行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及凍干等處理),加至質(zhì)譜儀,經(jīng)歷汽化,離子化、加速分離及檢測(cè)分析后即可得出相應(yīng)代謝產(chǎn)物或是代謝組的圖譜。圖譜中每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的分子量,結(jié)合進(jìn)一步的檢測(cè)分析可以部分鑒定出化學(xué)成分以及半定量關(guān)系。

2024/11/23體內(nèi)藥物分析樣品質(zhì)譜儀汽化、離子化、加速分離檢測(cè)分析化學(xué)成分、半定量15代謝組學(xué)數(shù)據(jù)采集與分析

代謝物可以通過(guò)與對(duì)照樣品的比值進(jìn)行相對(duì)定量。通過(guò)添加標(biāo)準(zhǔn)參照物以及對(duì)代謝物進(jìn)行同位素標(biāo)記,可以獲得絕對(duì)定量的代謝組數(shù)據(jù)集。一旦獲得代謝組的定量數(shù)據(jù)集,可以采用多種數(shù)據(jù)分析策略進(jìn)行代謝組數(shù)據(jù)分析,這些分析策略的基本原則是比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間代謝物水平差異,并利用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估這些差異的顯著性。2024/11/23體內(nèi)藥物分析16數(shù)據(jù)預(yù)處理歸一化與濾噪在得到分析對(duì)象的原始圖譜后,首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（一般包括歸一化與濾噪）,處理后保留與分類有關(guān)的大部分信息,消除多余的干擾因素的影響。廣泛應(yīng)用的濾噪技術(shù)是正交信號(hào)校正技術(shù)（OSC）。OSC等效于從數(shù)據(jù)中除去了額外的影響因素,因此該方法經(jīng)常用于易受環(huán)境因素影響的分析,例如在微量藥物引發(fā)的生化效應(yīng)中,分析結(jié)果經(jīng)常被研究對(duì)象的性別、飲食和其他環(huán)境因素所淹沒(méi),在這種情形下,應(yīng)用OSC能收到更好的效果。

2024/11/23體內(nèi)藥物分析17數(shù)據(jù)預(yù)處理（峰匹配）基于色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的代謝組學(xué)方法,如流動(dòng)相組成的微小變化,梯度的重現(xiàn)性及柱溫的微小變化及其柱表面的狀態(tài)變化常導(dǎo)致保留時(shí)間的差異。為了利用色譜圖中所有可以識(shí)別的峰信息,需對(duì)譜圖實(shí)行峰匹配(或稱峰對(duì)齊),使相同的代謝產(chǎn)物在生成的數(shù)據(jù)矩陣中由同一個(gè)變量表示,使各樣本的數(shù)據(jù)得到正確的比較。2024/11/23體內(nèi)藥物分析18數(shù)據(jù)分析方法和模型建立12024/11/23體內(nèi)藥物分析非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法這類方法用于從原始圖譜信息或預(yù)處理后的信息中對(duì)樣本進(jìn)行歸類，并采用相應(yīng)的可視化技術(shù)直觀地表達(dá)出來(lái)。該方法將得到的分類信息和這些樣本的原始信息（如藥物的作用位點(diǎn)或疾病的種類等）進(jìn)行比較，建立代謝產(chǎn)物與這些原始信息的聯(lián)系，篩選與原始信息相關(guān)的標(biāo)記物，進(jìn)而考察其中的代謝途徑。用于這個(gè)目的的方法沒(méi)有可供學(xué)習(xí)利用的訓(xùn)練樣本，所以稱之為非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，應(yīng)用在此領(lǐng)域的方法有:主成分分析、非線性映射、簇類分析等。19數(shù)據(jù)分析方法和模型建立2有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法這類方法用于建立類別間的數(shù)學(xué)模型，使各類樣品間達(dá)到最大的分離，并利用建立的多參數(shù)模型對(duì)未知的樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)。在這類方法中，由于建立模型時(shí)有可供學(xué)習(xí)利用的訓(xùn)練樣本，所以稱之為有監(jiān)督學(xué)習(xí)。在這種方法中經(jīng)常需要建立用來(lái)確認(rèn)樣品歸類（防止過(guò)擬合）的確認(rèn)集和用來(lái)預(yù)模型性能的測(cè)試集。應(yīng)用于該領(lǐng)域的主要是基于PCA.偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)方法，常用的SIMCA和偏最小二乘法顯著性分析。

2024/11/23體內(nèi)藥物分析20數(shù)據(jù)分析方法和模型建立3數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性需要借助復(fù)雜的模型或是專家系統(tǒng)進(jìn)行分析。專家系統(tǒng)用于藥物毒性預(yù)測(cè)，分為３個(gè)獨(dú)立的級(jí)別:正常／異常的判別、對(duì)未知樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中已知毒性或疾病的識(shí)別、病理學(xué)的生物標(biāo)記物的識(shí)別。

2024/11/23體內(nèi)藥物分析21數(shù)據(jù)分析方法和模型建立5代謝組學(xué)分析離不開(kāi)各種代謝途徑和生物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。

目前代謝組學(xué)研究尚無(wú)類似的功能完備數(shù)據(jù)庫(kù)。一些生化數(shù)據(jù)庫(kù)可供未知代謝物的結(jié)構(gòu)鑒定或用于已知代謝物的生物功能解釋.理想的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)還應(yīng)包括各種生物體的代謝物組信息以及包含代謝物的定量數(shù)據(jù),如人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù).

2024/11/23體內(nèi)藥物分析22代謝組學(xué)的研究應(yīng)用體內(nèi)藥物分析