基因組學(xué)代謝組學(xué)

1、代謝組學(xué)（metabolomics） 測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，大規(guī)?；蚪M測(cè)序成為可能genomics 表 達(dá) 序 列 標(biāo) 簽 E S T 、 微 陣 列 、 基 因 表 達(dá) 連 續(xù) 分 析 S A G E ， 轉(zhuǎn) 錄 組 學(xué)transcriptomics 生物體系中所有蛋白及其功能的蛋白組學(xué)proteomics 研究代謝產(chǎn)物的變化和代謝途徑的代謝組學(xué)metabolomics代謝組學(xué)的發(fā)展 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成，即DNA的序列及其表達(dá) 。 蛋白組學(xué)：研究由生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白質(zhì)及由外部刺激引起的差異 。 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

2、，是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的延伸 。代謝組學(xué)的發(fā)展 基因組的變化不一定能夠得到表達(dá)，從而并不一定對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響； 某些蛋白的濃度會(huì)由于外部條件的變化而升高，但由于這個(gè)蛋白可能不具備活性，從而也不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響； 由于基因或蛋白的功能補(bǔ)償作用，某個(gè)基因或蛋白的缺失會(huì)由于其他基因或蛋白的存在而得到補(bǔ)償，最后反應(yīng)的凈結(jié)果為零； 小分子的產(chǎn)生和代謝才是這一系列事件的最終結(jié)果，它能夠更準(zhǔn)確的反映生物體系的狀態(tài)。 代謝組學(xué)的發(fā)展歷史 最早起源于代謝輪廓分析（Metabolic profiling）。早在二十世紀(jì)七十年代，Baylor藥學(xué)院就已經(jīng)提出并發(fā)表了代謝輪廓分析的理論。 1975年，Thompson

3、 和Markey利用氣相色譜和質(zhì)譜在代謝輪廓分析的定量方面取得了較大進(jìn)展；二十世紀(jì)七十年代末期這種方法得到了廣泛認(rèn)同；八十年代早期應(yīng)用HPLC和NMR來(lái)對(duì)代謝物進(jìn)行分析。 1986年，Joumal of Chromatography A出版了一期關(guān)于代謝輪廓分析的專輯。 隨著基因組學(xué)的提出和迅速發(fā)展，Oliver于1997年提出了代謝組學(xué)（metabolomics）的概念，之后很多植物化學(xué)家開(kāi)展了這方面的研究； 1999年Jeremy K. Nicholson等人提出metabonomics的概念。 Metabolomics：通過(guò)考察生物體系受刺激后代謝產(chǎn)物的變化，或研究隨時(shí)間變化，生物體系的

4、代謝途徑的一種技術(shù)。模式生物和植物 Metabonomics：生物體對(duì)病理生理刺激或基因修飾產(chǎn)生的代謝物質(zhì)的質(zhì)和量的動(dòng)態(tài)變化的研究。評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)這種變化的過(guò)程。 代謝組：一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝組分的集合，尤其指小分子物質(zhì) 代謝組學(xué)：在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中，系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)的科學(xué)。代謝產(chǎn)物的分析層次Oliver Fiehn 將對(duì)生物體系的代謝產(chǎn)物分析分為4個(gè)層次： 1）代謝物靶標(biāo)分析（Metabolite target analysis）：某個(gè)或某幾個(gè)特定組分的分析； 2）代謝輪廓分析（Metabolic profiling）：少數(shù)預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的

5、定量分析，如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)的化合物或某一代謝途徑的所有中間產(chǎn)物或多條代謝途徑的標(biāo)志性組分； 3）代謝組學(xué)（Metabolomics）：限定條件下的特定生物樣品中所有代謝組分的定性和定量； 4）代謝物指紋分析（Metabolic fingerprinting）：不分離鑒定具體單一組分，而是對(duì)樣品進(jìn)行快速分類（如表型的快速鑒定）；代謝組學(xué)的內(nèi)容和特點(diǎn) 轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)的局限性： 轉(zhuǎn)錄組學(xué)或蛋白組學(xué)上的變化不總能反映基因變更時(shí)在生化層面的表現(xiàn)型的改變。 現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)中mRNA以及蛋白質(zhì)的識(shí)別是通過(guò)已知數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行序列比對(duì)的來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此識(shí)別和對(duì)比過(guò)程是間接的。 如果在缺乏某m

6、RNA或蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)信息時(shí)，以上的兩種組學(xué)就只能為人們提供少量的信息。 代謝組學(xué)的內(nèi)容和特點(diǎn)代謝組學(xué)的優(yōu)點(diǎn)： 1）基因和蛋白表達(dá)的有效的微小變化會(huì)在代謝物上得到放大，從而使檢測(cè)更容易； 2）代謝組學(xué)的技術(shù)不需建立全基因組測(cè)序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）的數(shù)據(jù)庫(kù)； 3）代謝物的種類要遠(yuǎn)小于基因和蛋白的數(shù)目，每個(gè)生物體中代謝產(chǎn)物大約在103數(shù)量級(jí)，細(xì)菌基因組中幾千個(gè)基因； 4）因?yàn)榇x產(chǎn)物在各個(gè)生物體系中都是類似的，所以代謝組學(xué)研究中采用的技術(shù)更通用；代謝組學(xué)的內(nèi)容和特點(diǎn) 代謝組學(xué)的研究技術(shù) 核心技術(shù)是利用化學(xué)方法對(duì)不同狀態(tài)下基因表達(dá)的不同代謝產(chǎn)物進(jìn)行比較 代謝物群矩陣clique-metabol

7、ite matrices 單一代謝物首先被鑒定出來(lái)，然后在不同的代謝物組中尋找相關(guān)性； 這些既獨(dú)立又相關(guān)的代謝物被用來(lái)鑒定代謝途徑，尋找在已經(jīng)受到影響的情況下植物的代謝網(wǎng)絡(luò)，而這些網(wǎng)絡(luò)途徑則用來(lái)測(cè)定和研究更加廣泛的生物學(xué)反應(yīng)和基因功能。 代謝組學(xué)的內(nèi)容和特點(diǎn) 局限性： 不能將生物體所有的代謝產(chǎn)物全面涵蓋，活的生物體的內(nèi)在生物學(xué)變化，大多實(shí)驗(yàn)儀器存在動(dòng)力學(xué)局限性，導(dǎo)致代謝物的化學(xué)復(fù)雜性 技術(shù)難題：代謝組學(xué)中的主要技術(shù)難點(diǎn)在于分析物濃度的動(dòng)態(tài)范圍 ？ 代謝組學(xué)的研究策略 A.A.代謝物靶標(biāo)分析（Metabolite target analysis） 直接研究基因變化的初級(jí)影響，可對(duì)專有的底物或相應(yīng)

8、編碼蛋白進(jìn)行分析。 這個(gè)程序可以詳細(xì)而精確的完成某個(gè)或某幾個(gè)特定組分的分析。容易被其他相似的混合物所干擾。 為使分析準(zhǔn)確，應(yīng)用大量制備方法來(lái)清除樣品中的雜質(zhì)，并用靈敏度高的分析方法對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。 代謝組學(xué)的研究策略 代謝輪廓分析（Metabolic profilingMetabolic profiling）： 代謝輪廓分析是少數(shù)預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的識(shí)別和定量分析，如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)的化合物（氨基酸、有機(jī)酸、順二醇類）或某一代謝途徑的所有中間產(chǎn)物或多條代謝途徑的標(biāo)志性組分。有時(shí)在代謝物分析中，不必分析生物樣本中的所有化合物，只要分析所研究的特定生化代謝途徑即可。因此，在樣品制備過(guò)程中某一代

9、謝途徑的中間化合物時(shí)需要特別留意代謝組學(xué)的研究策略 代謝組學(xué)（Metabolomics）： 代謝組學(xué)分析揭示了研究的生物學(xué)系統(tǒng)中對(duì)限定條件下的特定生物樣品中所有代謝組分的全面的定性和定量變化。外界環(huán)境的變化總是誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生交互式影響，有時(shí)這些影響會(huì)導(dǎo)致一些與之不相關(guān)的代謝途徑發(fā)生改變。為了弄清所有的這些影響，代謝組學(xué)的分析是必不可少的。在這個(gè)分析過(guò)程中，精密的分析方法用來(lái)對(duì)一個(gè)樣品種所有的化合物進(jìn)行分析而不需要對(duì)樣品進(jìn)行純化。代謝組學(xué)的研究策略 代謝物指紋分析（Metabolic fingerprinting）： 物圖譜有其特質(zhì)性，類似樣品的“指紋”一樣；對(duì)這種特質(zhì)性進(jìn)行區(qū)分、鑒定，被稱為“

10、代謝指紋分析”，幫助找出機(jī)體代謝的共性與個(gè)性。代謝物指紋分析的目的在于根據(jù)其來(lái)源和生物學(xué)相關(guān)性對(duì)樣品進(jìn)行快速分類。在工業(yè)和臨床應(yīng)用上，它有時(shí)不能在一個(gè)樣品中測(cè)定所有代謝物，也不能分離鑒定具體單一組分，但是對(duì)于樣品的快速分類是很合適的（如表型的快速鑒定）。 代謝組學(xué)的技術(shù)平臺(tái) 紅外線光譜技術(shù)（IR）， 核磁共振技術(shù)（NMR）， 稀薄氣液色譜技術(shù)（TLC）， 高效液相色譜技術(shù)（HPLC）， 高效毛細(xì)管電泳技術(shù)（HPCE）， 毛細(xì)管電泳與紫外線吸光率檢測(cè)連用技術(shù)（CE/UV）， 毛細(xì)管電泳與激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)連用技術(shù)（CE/LIF）， 毛細(xì)管電泳與質(zhì)譜連用技術(shù)（CE/MS）， 氣相色譜與質(zhì)譜共用技術(shù)（

11、GC/MS）， 液相色譜與質(zhì)譜共用技術(shù)（LC/MS）， 液相色譜與質(zhì)譜先后使用技術(shù)（LC/MS/MS）， 高效液相色譜與質(zhì)譜和核磁共振技術(shù)功用（LC/NMR/MS）代謝組學(xué)的技術(shù)平臺(tái) 生物信息學(xué)Bioinformatics數(shù)學(xué)分析平臺(tái) 在代謝組學(xué)的研究中，大多數(shù)情況是要從檢測(cè)到的代謝產(chǎn)物信息中進(jìn)行兩類（如基因突變前后的響應(yīng)）或多類（如雜交后各不同表型間代謝產(chǎn)物）的判別分類。因此在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中應(yīng)用的技術(shù)也就集中在模式識(shí)別技術(shù)上。其中主要方法包括無(wú)監(jiān)督的主成分分析（Principal component analysis, PCA）、簇類分析和K法簇類分析（Hierarchical cluste

12、r analysis, HCA and K-means clustering）。 代謝組學(xué)在植物系統(tǒng)的應(yīng)用 代謝組學(xué)的很多研究集中在植物的細(xì)胞代謝組學(xué)這個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分支 。在一些實(shí)例中，基因改造的突變導(dǎo)致了可測(cè)量的表現(xiàn)型的變化，利用代謝組學(xué)的方法可以描述生物化學(xué)引起的可觀察的表現(xiàn)型結(jié)果。我們可以通過(guò)以下幾個(gè)領(lǐng)域來(lái)獲得生物學(xué)信息： 1）物種和基因型的指紋識(shí)別（從分類學(xué)和生物化學(xué)方面分類） 2）檢測(cè)特殊代謝物種類的行為（通過(guò)植物對(duì)外界的物理化學(xué)刺激的反應(yīng)） 3）研究植物建立共生關(guān)系或果實(shí)成熟的發(fā)展過(guò)程 4）比較基因突變或轉(zhuǎn)基因的植物與它們相對(duì)應(yīng)的野生型的代謝物的異同。 因此應(yīng)用代謝輪廓分析我們可以

13、將所有“組學(xué)”技術(shù)相結(jié)合，來(lái)相成一個(gè)從基因組學(xué)到代謝組學(xué)再到植物表現(xiàn)型的包含全部方面信息的完整描述。代謝組學(xué)在植物系統(tǒng)的應(yīng)用 利用基于GC/MS的代謝輪廓分析研究了轉(zhuǎn)基因土豆塊莖中轉(zhuǎn)化酵素的過(guò)量表達(dá)。分析數(shù)據(jù)證明由于糖酵解的作用，碳鏈被分割，導(dǎo)致了淀粉積聚物的減少。在后續(xù)的研究中利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法可以將轉(zhuǎn)基因土豆轉(zhuǎn)化酵素的過(guò)量表達(dá)與葡萄糖激酶和蔗糖磷酸化酶聯(lián)系起來(lái)， 這是第一個(gè)報(bào)道代謝輪廓分析與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合分析植物表現(xiàn)型變化的例子。代謝組學(xué)的前景 目前，代謝組學(xué)正日益成為研究的熱點(diǎn)，隨著研究的深入，代謝組學(xué)必將在揭示基因功能的功能基因組學(xué)中發(fā)揮更大的作用，幫助人們更好更深的了解生物體中各種復(fù)雜的

14、相互作用及生物系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和基因變化的響應(yīng)，同時(shí)也提供了一個(gè)了解基因表型的獨(dú)特途徑。此外，代謝組學(xué)技術(shù)還用于植物表型的快速鑒定，以及知道開(kāi)發(fā)具有重要應(yīng)用價(jià)值的新興代謝產(chǎn)物。代謝組學(xué)的發(fā)展歷史 最早起源于代謝輪廓分析（Metabolic profiling）。早在二十世紀(jì)七十年代，Baylor藥學(xué)院就已經(jīng)提出并發(fā)表了代謝輪廓分析的理論。 1975年，Thompson 和Markey利用氣相色譜和質(zhì)譜在代謝輪廓分析的定量方面取得了較大進(jìn)展；二十世紀(jì)七十年代末期這種方法得到了廣泛認(rèn)同；八十年代早期應(yīng)用HPLC和NMR來(lái)對(duì)代謝物進(jìn)行分析。 1986年，Joumal of Chromatography A

15、出版了一期關(guān)于代謝輪廓分析的專輯。 隨著基因組學(xué)的提出和迅速發(fā)展，Oliver于1997年提出了代謝組學(xué)（metabolomics）的概念，之后很多植物化學(xué)家開(kāi)展了這方面的研究； 1999年Jeremy K. Nicholson等人提出metabonomics的概念。代謝組學(xué)的研究策略 代謝輪廓分析（Metabolic profilingMetabolic profiling）： 代謝輪廓分析是少數(shù)預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的識(shí)別和定量分析，如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)的化合物（氨基酸、有機(jī)酸、順二醇類）或某一代謝途徑的所有中間產(chǎn)物或多條代謝途徑的標(biāo)志性組分。有時(shí)在代謝物分析中，不必分析生物樣本中的所有化合

16、物，只要分析所研究的特定生化代謝途徑即可。因此，在樣品制備過(guò)程中某一代謝途徑的中間化合物時(shí)需要特別留意代謝組學(xué)的研究策略 代謝物指紋分析（Metabolic fingerprinting）： 物圖譜有其特質(zhì)性，類似樣品的“指紋”一樣；對(duì)這種特質(zhì)性進(jìn)行區(qū)分、鑒定，被稱為“代謝指紋分析”，幫助找出機(jī)體代謝的共性與個(gè)性。代謝物指紋分析的目的在于根據(jù)其來(lái)源和生物學(xué)相關(guān)性對(duì)樣品進(jìn)行快速分類。在工業(yè)和臨床應(yīng)用上，它有時(shí)不能在一個(gè)樣品中測(cè)定所有代謝物，也不能分離鑒定具體單一組分，但是對(duì)于樣品的快速分類是很合適的（如表型的快速鑒定）。 代謝組學(xué)的研究策略 代謝物指紋分析（Metabolic fingerprinting）： 物圖譜有其特質(zhì)性，類似樣品的“指紋”一樣；對(duì)這種特質(zhì)性進(jìn)行區(qū)分、鑒定，被稱為“代謝指紋分析”，幫助找出機(jī)體代謝的共性與個(gè)性。代謝物指紋分析的目的在于根據(jù)其來(lái)源和生物學(xué)相關(guān)性對(duì)樣品進(jìn)行快速分類。在工業(yè)和臨床應(yīng)用上，它有時(shí)不能在一個(gè)樣品中測(cè)定所有代謝物，也不能分離鑒定具體單一組分，但是對(duì)于樣品的快速分類是很合適的（如表型的快速鑒定）。 代謝組學(xué)的研究策略 代謝物指紋分析（Metabolic fingerprinting）： 物圖譜有其特質(zhì)性，類似樣品的“指紋”一樣；對(duì)這種特質(zhì)性進(jìn)行區(qū)分、鑒定，被稱為“代謝指紋分析”，幫助找出機(jī)體代謝的共性與個(gè)性。代謝物指紋