代謝組學(xué)-資料課件

代謝組學(xué)

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)與分子生物學(xué)系李信民5372009443sina代謝組學(xué)西安交通1生物系統(tǒng)(機(jī)體)外部或內(nèi)部刺激知識(shí)或模型基因→轉(zhuǎn)錄→翻譯→代謝基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理↓↓↓↓↓系統(tǒng)生物學(xué):用系統(tǒng)的觀點(diǎn)或方法研究生物體系,以獲得海量數(shù)據(jù)和生物模型.其特點(diǎn)是不用單一指標(biāo)描述生物體的狀態(tài),而是用多元數(shù)據(jù)組進(jìn)行描述.生物系統(tǒng)(機(jī)體)外部或內(nèi)部刺激知識(shí)或模型基因→轉(zhuǎn)錄→翻譯→代2代謝組學(xué)-資料課件3一代謝組學(xué)的基本概念自20世紀(jì)末出現(xiàn)基因組學(xué)概念以后,各種”組學(xué)(-omics)”呈井噴式暴發(fā).有人統(tǒng)計(jì)共有數(shù)百種組學(xué)問世.常見的如基因組學(xué),蛋白質(zhì)組學(xué),轉(zhuǎn)錄組學(xué),代謝組學(xué)上述組學(xué)還可再分出諸多亞組學(xué),如肝細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué),骨代謝組學(xué)等一代謝組學(xué)的基本概念自20世紀(jì)末出現(xiàn)基因組學(xué)概念以后,各種41代謝組的概念代謝組指一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中,所有代謝產(chǎn)物的集合,一般指分子量小于1000D的物質(zhì).1代謝組的概念代謝組52代謝組學(xué)的概念在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中,系統(tǒng)地研究代謝產(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)。

2代謝組學(xué)的概念在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中,系統(tǒng)地研究代謝產(chǎn)物6Metabonomics

---英JeremyK.Nicholson20世紀(jì)90年代生命體系對(duì)病理生理刺激或遺傳改造所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài),多指標(biāo)代謝響應(yīng)的定量測定.Metabolomics

---OliverFiehn21世紀(jì)初全面定量分析生物體系中的所有代謝產(chǎn)物.Metabonomics

---英JeremyK73代謝組學(xué)的發(fā)展過程代謝組學(xué)的研究可以追溯至上世紀(jì)80年代。1970s代謝輪廓分析(Metabolicprofiling),Devaux等人于上世紀(jì)70年代提出。1985年,Nicholson研究小組利用核磁共振(NMR)技術(shù)分析大鼠的尿液,意識(shí)到這可能是生命科學(xué)研究的巨大突破.

3代謝組學(xué)的發(fā)展過程代謝組學(xué)的研究可以追溯至上世紀(jì)80年代81986年,JournalofChromatographyA出版了一期關(guān)于Metabolicprofiling的專輯。90年代后期,隨著基因組學(xué)的提出和迅速發(fā)展,Oliver于2019年提出了代謝組學(xué)(metabolomics)的概念,之后很多植物化學(xué)家開展了這方面的研究.1986年,JournalofChromatogra92019年JeremyK.Nicholson等人提出metabonomics的概念,并在疾病診斷、藥物篩選等方面做了大量的卓有成效的工作,使得代謝組學(xué)得到了極大的充實(shí),同時(shí)也形成了當(dāng)前代謝組學(xué)的兩大主流領(lǐng)域：metabolomics和metabonomics。2019年JeremyK.Nicholson等人提出10一般認(rèn)為,metabolomics是通過考察生物體系受刺激或擾動(dòng)后(如將某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化后)代謝產(chǎn)物的變化或其隨時(shí)間的變化,來研究生物體系的代謝途徑的一種技術(shù)。而metabonomics是生物體對(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。前者一般以細(xì)胞做研究對(duì)象,后者則更注重動(dòng)物的體液和組織。一般認(rèn)為,metabolomics是通過考察生物體系受刺激114代謝組學(xué)與其他組學(xué)關(guān)系

基因組學(xué)主要研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成,即DNA的序列及表達(dá)。蛋白組學(xué)研究由生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白及由外部刺激引起的差異。代謝組學(xué)是研究生物體系(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。4代謝組學(xué)與其他組學(xué)關(guān)系基因組學(xué)主要研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)12代謝組學(xué)被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向基因組的變化不一定能夠得到表達(dá),從而并不對(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)由于其它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。而小分子的產(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)確地反映生物體系的狀態(tài)。

代謝組學(xué)被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向基因組的變化不一定能夠13基因組學(xué)告訴你可能發(fā)生什么蛋白質(zhì)組學(xué)告訴你如何發(fā)生什么代謝組學(xué)告訴你已經(jīng)發(fā)生了什么。

基因組學(xué)告訴你可能發(fā)生什么145代謝組學(xué)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,從而使檢測更容易；2)代謝組學(xué)的技術(shù)不需建立全基因組測序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)的數(shù)據(jù)庫；

5代謝組學(xué)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153)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(organism)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；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。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(or166生物體系的代謝產(chǎn)物分析的四個(gè)層次1)代謝物靶標(biāo)分析(Metabolitetargetanalysis):某個(gè)或某幾個(gè)特定組分的分析;2)代謝輪廓分析(Metabolicprofiling):少數(shù)預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的定量分析。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;6生物體系的代謝產(chǎn)物分析的四個(gè)層次1)代謝物靶標(biāo)分析(M173)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(Metabolicfingerp-rinting):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)。3)代謝組學(xué)(Metabolomics):限定條件下的18二代謝組學(xué)的研究方法

代謝組學(xué)流程包括樣品的采集預(yù)處理數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的分析及解釋二代謝組學(xué)的研究方法代謝組學(xué)流程包括19研究平臺(tái)主要由分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)構(gòu)成。代謝組學(xué)力求分析生物體系(如體液和細(xì)胞)中的所有代謝產(chǎn)物,所以整個(gè)過程中都強(qiáng)調(diào)盡可能的保留和反映總的代謝產(chǎn)物的信息。研究平臺(tái)主要由分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)構(gòu)成。代謝組學(xué)力求分201分析技術(shù)平臺(tái)代謝組學(xué)的研究中最常見的分析工具是NMR,特別是1H-NMR,優(yōu)點(diǎn)對(duì)樣品的非破壞性、非選擇性分析,滿足了代謝組學(xué)中的對(duì)盡可能多的化合物進(jìn)行檢測的目標(biāo)。缺陷:靈敏度低分辨率不高因此常導(dǎo)致高豐度的分析物掩蓋低豐度的分析物。1分析技術(shù)平臺(tái)代謝組學(xué)的研究中最常見的分析工具是NMR,21在植物的代謝組學(xué)研究中,主要采用的技術(shù)為GC/MS。優(yōu)勢能夠提供較高的分辨率和檢測靈敏度有可供參考、比較的標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫,可以方便地得到待分析代謝組分的定性結(jié)果。局限性只能對(duì)其中的揮發(fā)性組分實(shí)現(xiàn)直接分析。在植物的代謝組學(xué)研究中,主要采用的技術(shù)為GC/MS。22

LC/MS(/MS)技術(shù)逐漸被廣泛地用于代謝組學(xué)的研究中。LC/MS采用LC作為其主要的分離手段,增強(qiáng)了其分辨能力,與MS或MS/MS的聯(lián)用可以得到代謝組分的結(jié)構(gòu)信息。與GC相比,預(yù)處理相對(duì)簡單。LC/MS(/MS)技術(shù)逐漸被廣泛地用于代謝組學(xué)的研究中232數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

在得到分析對(duì)象的原始數(shù)據(jù)后,首先需要對(duì)各種分析手段得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到可用于代謝組學(xué)研究的格式。根據(jù)各種分析手段(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)自身的特點(diǎn),研究者們開發(fā)出了相應(yīng)的算法對(duì)原始譜圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、峰對(duì)齊、去噪等處理。然后需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,挖掘隱含于其中的有用信息。2數(shù)據(jù)分析平臺(tái)在得到分析對(duì)象的原始數(shù)據(jù)后,首先需要對(duì)各種24模式識(shí)別技術(shù)主要有模式識(shí)別技術(shù)主要有非監(jiān)督和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法兩種非監(jiān)督(un-supervised)學(xué)習(xí)方法主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、非線形映射(NonlinearMapping,NLM)、模式識(shí)別技術(shù)主要有模式識(shí)別技術(shù)主要有非監(jiān)督和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法兩25有監(jiān)督(supervised)學(xué)習(xí)方法。簇類分析(HierarchicalClusterAnaly-sis,HCA)簇類的獨(dú)立軟模式分類法(SoftIn-dependent

ModelingofClassAnalogy，SIMCA)、PLS-DA

(PLS-Discriminant

Analysis)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork，ANN)等有監(jiān)督(supervised)學(xué)習(xí)方法。26代謝組學(xué)的研究方法分為三階段前期中期后期

代謝組學(xué)的研究方法分為三階段27前期---樣品制備代謝組學(xué)研究常用的檢測技術(shù),一般不需要對(duì)標(biāo)本行特別的分離、純化等。但須立即阻斷內(nèi)在酶的活性。最為常用的是冰凍/液氮降溫法冷凍、干燥細(xì)胞間仍始終有一低水平的代謝活動(dòng),需盡量避免氧化等活化因素。前期---樣品制備代謝組學(xué)研究常用的檢測技術(shù),一般不需要對(duì)標(biāo)28中期---產(chǎn)物檢測、分析與鑒定

代謝產(chǎn)物的檢測、分析與鑒定是代謝組學(xué)技術(shù)的核心部分,最常用的方法是有兩種NMR質(zhì)譜(MS)中期---產(chǎn)物檢測、分析與鑒定代謝產(chǎn)物的檢測、分析與鑒定是29(1)核磁共振技術(shù)原理核磁共振技術(shù)核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時(shí)作用，且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)，是一種利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關(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)

可用于體液或組織提取液和活體分析兩大類(1)核磁共振技術(shù)原理30代謝指紋分析

(metabolicfingerprintanalysis)氫譜(1HNMR)將準(zhǔn)備好的生物標(biāo)本直接上樣檢測即可。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,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(metabolicfingerprintanalysis)”。代謝指紋分析

(metabolicfingerprint31兩組各自的特征性波明顯不同A腎乳頭組織;B腎皮質(zhì)組織

利用NMR檢測不同組織的圖譜兩組各自的特征性波明顯不同A腎乳頭組織;B腎皮質(zhì)組織32代謝輪廓分析

(metabolicprofi-linganalysis)NMR對(duì)活體內(nèi)外的非損傷組織、器官進(jìn)行研究。以心臟的磷譜研究為例,將預(yù)處理的體外灌流心臟直接置于檢測區(qū),持續(xù)觀察低氧干預(yù)下31PNMR譜峰的改變情況,發(fā)現(xiàn)低氧狀況下,P3+和Mg2+的含量增加,并隨低氧的延長而加深、加重。這種分析器官或組織中某一代謝物或組合隨時(shí)間變化的情況,稱之為“代謝輪廓分析(metabolicprofi-linganalysis)

代謝輪廓分析

(metabolicprofi-linga33NMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)①無損傷性,不破壞樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì);②可在一定的溫度和緩沖范圍內(nèi)進(jìn)行生理?xiàng)l件或接近生理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn);③與外界特定干預(yù)相結(jié)合,研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中機(jī)體化學(xué)交換、運(yùn)動(dòng)等代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律;④實(shí)驗(yàn)方法靈活多樣。缺點(diǎn)儀器價(jià)格昂貴維護(hù)費(fèi)用高靈敏度低NMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)34(2)質(zhì)譜技術(shù)

原理首先使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器.在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使離子發(fā)生相反的速度色散，將他們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量.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，如氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用(GC一MS)，液相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用(Lc一MS)和毛細(xì)管電泳一質(zhì)譜聯(lián)用(CE一MS)等是質(zhì)譜相關(guān)技術(shù)中的常見技術(shù)，在代謝組學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用.(2)質(zhì)譜技術(shù)原理35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)一步的檢測分析可以部分鑒定出化學(xué)成分以及半定量關(guān)系。

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、36代謝組學(xué)-資料課件37(3)常用的其他一些分析技術(shù)氣相色譜(GC)高效液相色譜儀(HPLC)高效毛細(xì)管電泳(HPCE)往往與NMR或MS技術(shù)聯(lián)用,進(jìn)一步增加其靈敏性。敏感性及分辨率提高,“假陽性”率也就越大(3)常用的其他一些分析技術(shù)氣相色譜(GC)38后期---數(shù)據(jù)分析與模型建立

代謝組學(xué)研究的后期需借助于生物信息學(xué)平臺(tái)

借助于一定的軟件,聯(lián)合多種數(shù)據(jù)分析技術(shù),將多維、分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、分類及判別分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的定性、定量關(guān)系,解讀數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的生物學(xué)意義,闡述其與機(jī)體代謝的關(guān)系。

后期---數(shù)據(jù)分析與模型建立代謝組學(xué)研究的后期需借助于生物39影響代謝組學(xué)分析的主要因素生物種屬:如靈長類、嚙齒類及兔類尿甘氨酸的量差別較大;不同種的雄性小鼠對(duì)氯仿腎毒性及鎘肝毒性的易感性也不同性別:雄性波峰的變異性明顯高于雌性,而前者對(duì)藥物及毒物的敏感性也高影響代謝組學(xué)分析的主要因素生物種屬:40年齡:在四氯化碳的肝毒性模型研究中,發(fā)現(xiàn)28月齡的F344大鼠較5月齡的敏感性差;并隨年齡增長,尿液中三羧酸的代謝產(chǎn)物也不同;尿中代謝產(chǎn)物的組成變化還與個(gè)體間的健康狀況、遺傳差異性等密切相關(guān)。

生物活環(huán)境:溫度、覺醒等刺激,甚至周圍氣候不同、菌群的改變,代謝組也可發(fā)生種類及數(shù)量的差別。

年齡:41晝夜節(jié)律:晝夜節(jié)律更替影響了體內(nèi)激素水平,血清代謝譜亦隨之變化;主成分(PCA)分析核磁共振(1HNMR)譜,能很容易識(shí)別不同時(shí)間點(diǎn)的尿樣品:白天尿中的?；撬?、馬尿酸、肌酐水平較高,而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相應(yīng)較低。飲食:略

晝夜節(jié)律:42改變飼養(yǎng)條件菌群環(huán)境,小鼠尿液核磁共振(NMR)譜隨時(shí)間變化圖

改變飼養(yǎng)條件菌群環(huán)境,小鼠尿液核磁共振(NMR)譜隨時(shí)間變化43主成分分析法(PCA)

---最常用的分析方法

將分散于一組變量上的信息集中于幾個(gè)綜合指標(biāo)(PC)上,如糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等,利用主成分描述機(jī)體代謝的變化情況,發(fā)揮了降維分析的作用,避免淹沒于大量數(shù)據(jù)中.主成分分析法(PCA)

---最常用的分析方法將分散于一組44代謝主成分(PCA)分析示意圖:根據(jù)不同種的核磁共振代謝數(shù)據(jù),從中計(jì)算出成分1、2及標(biāo)本的加權(quán)值,在此基礎(chǔ)上,對(duì)所測標(biāo)本進(jìn)行有效地分類和鑒定代謝主成分(PCA)分析示意圖:根據(jù)不同種的核磁共振代謝數(shù)45其他模式識(shí)別技術(shù)

聚類分析辨別式功能分析最小二乘法投影法

現(xiàn)實(shí)情況下,代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)更為復(fù)雜,需要借助復(fù)雜的模型或是專家系統(tǒng)進(jìn)行分析.其他模式識(shí)別技術(shù)聚類分析46三代謝組學(xué)的應(yīng)用發(fā)掘疾病新的診斷方法研究疾病的發(fā)病機(jī)制研究疾病發(fā)生、發(fā)展、恢復(fù)的進(jìn)程開發(fā)新藥研究藥物的作用機(jī)制，評(píng)價(jià)藥物的安全性和有效性等

三代謝組學(xué)的應(yīng)用發(fā)掘疾病新的診斷方法471代謝組學(xué)在藥物領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)藥物篩選鑒別和確證動(dòng)物模型代謝物組學(xué)研究可以區(qū)分不同種屬、品系動(dòng)物模型的代謝狀態(tài).在實(shí)施毒性篩選之前，可以先查清它們的生化狀態(tài)，尋找人類疾病、藥效或毒性檢驗(yàn)的最適宜的動(dòng)物模型。代謝物組分析能夠區(qū)分不同生理因素（飲食、健康狀況、晝夜節(jié)律、壓力）造成的代謝物組圖譜差別，這些差別會(huì)與藥物造成的細(xì)微變化相混淆。例如，Bollard等研究觀察到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄水平增加，而過去?；撬崮蚴亲鳛楦螕p傷的生物標(biāo)志。因此，不考慮動(dòng)物模型生理因素的影響會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的毒性評(píng)價(jià)。

1代謝組學(xué)在藥物領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)藥物篩選48(2)毒性篩選代謝組學(xué)有獨(dú)特的優(yōu)越性：①代謝組學(xué)樣品多為外周性生物體液，可以多次采樣，觀察單一動(dòng)物毒性發(fā)作和恢復(fù)的全過程。②樣品處理簡單。經(jīng)某些非破壞性分析技術(shù)，如NMR,HPLC,測定后的樣品還可用于其他研究。③可以較早發(fā)現(xiàn)毒性的分子標(biāo)志物,大大減少藥物研發(fā)消耗。有的制藥公司已將該方法納入藥物開發(fā)方案。另外,液質(zhì)聯(lián)用的應(yīng)用也獲得了初步探索。

(2)毒性篩選49(3)藥物作用機(jī)制研究如抗糖尿病藥羅格列酮對(duì)脂質(zhì)代謝物組在不同的組織分布的影響。觀察到血漿中的特定磷脂酰膽堿、三酰甘油、膽固醇酯的總濃度降低，但這些脂類中的棕櫚烯酸,而棕櫚烯酸是肝脂合成增加的標(biāo)志物，這與肝臟中觀察到的總?cè)８视托罘e相符。聯(lián)系到血漿的低三酰甘油濃度，而且血液中的磷脂酰膽堿和三酰甘油主要由肝脂輸出，提示該藥抑制小鼠正常的肝臟-血液脂交換。由代謝組學(xué)測定揭示的生化變化可以很容易地與傳統(tǒng)手段（臨床化學(xué)和組織病理學(xué)）的檢測結(jié)果相聯(lián)系，從而更全面評(píng)價(jià)藥效及不良反應(yīng)。

(3)藥物作用機(jī)制研究50(4)新藥開發(fā)新藥研究需要回答兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是新藥作用的靶點(diǎn)是什么?二是新藥在體內(nèi)的代謝規(guī)律如何?這些正是代謝組學(xué)的優(yōu)勢所在.

(4)新藥開發(fā)51代謝組學(xué)還可以用于藥物相互作用藥物或毒物對(duì)靶器官的作用藥物臨床試驗(yàn)中藥效監(jiān)測代謝組學(xué)還可以用于522代謝組學(xué)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

(1)個(gè)體化用藥代謝物組可評(píng)價(jià)當(dāng)前的健康狀況，確定遺傳變異和環(huán)境對(duì)個(gè)體狀態(tài)的影響

代謝物組繪圖能鑒別個(gè)體間的細(xì)微生化差異，將單一疾病的不同患者分層，從而細(xì)化藥物需求

2代謝組學(xué)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)個(gè)體化用藥53(2)疾病診斷--無創(chuàng)診斷建立各種疾病的代謝組學(xué)模型—診斷標(biāo)準(zhǔn)NMR本身需要從技術(shù)層面上提高降低成本,使多數(shù)人能夠接受產(chǎn)前診斷和優(yōu)生優(yōu)育(2)疾病診斷--無創(chuàng)診斷54幾個(gè)例子腫瘤:特別是無癥狀的早期腫瘤,尤其需要借助于敏感性高的綜合檢測手段。早在1992年,Howells等便利用核磁共振(1HNMR)技術(shù)聯(lián)合主成分分析(PCA)對(duì)腦腫瘤組織進(jìn)行檢測,其中腦膜瘤診斷的準(zhǔn)確率達(dá)85%,神經(jīng)膠質(zhì)瘤則為62%.幾個(gè)例子腫瘤:55冠心病(CHD):Brindle等將X線血管造影明確診斷的患者進(jìn)行分組,同時(shí)用NMR技術(shù)分析血清樣本,建立了合適的模型。借助此模型,對(duì)于可疑CHD患者診斷的靈敏度高達(dá)92%,特異性為93%。冠心病(CHD):56代謝組學(xué)-資料課件57結(jié)束語

代謝組學(xué)正處于快速發(fā)展的階段。高通量、高分辨率的分析技術(shù),與生物信息學(xué)相整合,為生物代謝層面的研究提供了獨(dú)特視角。代謝組學(xué)必將在藥物開發(fā)、臨床診斷和預(yù)防等方面發(fā)揮越來越大的作用。相信通過我們的努力目標(biāo)將越來越接近.結(jié)束語代謝組學(xué)正處于快速發(fā)展的階段。高通量、高分辨率的分析58代謝組學(xué)

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)與分子生物學(xué)系李信民5372009443sina代謝組學(xué)西安交通59生物系統(tǒng)(機(jī)體)外部或內(nèi)部刺激知識(shí)或模型基因→轉(zhuǎn)錄→翻譯→代謝基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理↓↓↓↓↓系統(tǒng)生物學(xué):用系統(tǒng)的觀點(diǎn)或方法研究生物體系,以獲得海量數(shù)據(jù)和生物模型.其特點(diǎn)是不用單一指標(biāo)描述生物體的狀態(tài),而是用多元數(shù)據(jù)組進(jìn)行描述.生物系統(tǒng)(機(jī)體)外部或內(nèi)部刺激知識(shí)或模型基因→轉(zhuǎn)錄→翻譯→代60代謝組學(xué)-資料課件61一代謝組學(xué)的基本概念自20世紀(jì)末出現(xiàn)基因組學(xué)概念以后,各種”組學(xué)(-omics)”呈井噴式暴發(fā).有人統(tǒng)計(jì)共有數(shù)百種組學(xué)問世.常見的如基因組學(xué),蛋白質(zhì)組學(xué),轉(zhuǎn)錄組學(xué),代謝組學(xué)上述組學(xué)還可再分出諸多亞組學(xué),如肝細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué),骨代謝組學(xué)等一代謝組學(xué)的基本概念自20世紀(jì)末出現(xiàn)基因組學(xué)概念以后,各種621代謝組的概念代謝組指一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中,所有代謝產(chǎn)物的集合,一般指分子量小于1000D的物質(zhì).1代謝組的概念代謝組632代謝組學(xué)的概念在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中,系統(tǒng)地研究代謝產(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)。

2代謝組學(xué)的概念在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中,系統(tǒng)地研究代謝產(chǎn)物64Metabonomics

---英JeremyK.Nicholson20世紀(jì)90年代生命體系對(duì)病理生理刺激或遺傳改造所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài),多指標(biāo)代謝響應(yīng)的定量測定.Metabolomics

---OliverFiehn21世紀(jì)初全面定量分析生物體系中的所有代謝產(chǎn)物.Metabonomics

---英JeremyK653代謝組學(xué)的發(fā)展過程代謝組學(xué)的研究可以追溯至上世紀(jì)80年代。1970s代謝輪廓分析(Metabolicprofiling),Devaux等人于上世紀(jì)70年代提出。1985年,Nicholson研究小組利用核磁共振(NMR)技術(shù)分析大鼠的尿液,意識(shí)到這可能是生命科學(xué)研究的巨大突破.

3代謝組學(xué)的發(fā)展過程代謝組學(xué)的研究可以追溯至上世紀(jì)80年代661986年,JournalofChromatographyA出版了一期關(guān)于Metabolicprofiling的專輯。90年代后期,隨著基因組學(xué)的提出和迅速發(fā)展,Oliver于2019年提出了代謝組學(xué)(metabolomics)的概念,之后很多植物化學(xué)家開展了這方面的研究.1986年,JournalofChromatogra672019年JeremyK.Nicholson等人提出metabonomics的概念,并在疾病診斷、藥物篩選等方面做了大量的卓有成效的工作,使得代謝組學(xué)得到了極大的充實(shí),同時(shí)也形成了當(dāng)前代謝組學(xué)的兩大主流領(lǐng)域：metabolomics和metabonomics。2019年JeremyK.Nicholson等人提出68一般認(rèn)為,metabolomics是通過考察生物體系受刺激或擾動(dòng)后(如將某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化后)代謝產(chǎn)物的變化或其隨時(shí)間的變化,來研究生物體系的代謝途徑的一種技術(shù)。而metabonomics是生物體對(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。前者一般以細(xì)胞做研究對(duì)象,后者則更注重動(dòng)物的體液和組織。一般認(rèn)為,metabolomics是通過考察生物體系受刺激694代謝組學(xué)與其他組學(xué)關(guān)系

基因組學(xué)主要研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成,即DNA的序列及表達(dá)。蛋白組學(xué)研究由生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白及由外部刺激引起的差異。代謝組學(xué)是研究生物體系(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。4代謝組學(xué)與其他組學(xué)關(guān)系基因組學(xué)主要研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)70代謝組學(xué)被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向基因組的變化不一定能夠得到表達(dá),從而并不對(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)由于其它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。而小分子的產(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)確地反映生物體系的狀態(tài)。

代謝組學(xué)被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向基因組的變化不一定能夠71基因組學(xué)告訴你可能發(fā)生什么蛋白質(zhì)組學(xué)告訴你如何發(fā)生什么代謝組學(xué)告訴你已經(jīng)發(fā)生了什么。

基因組學(xué)告訴你可能發(fā)生什么725代謝組學(xué)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,從而使檢測更容易；2)代謝組學(xué)的技術(shù)不需建立全基因組測序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)的數(shù)據(jù)庫；

5代謝組學(xué)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733)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(organism)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；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。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(or746生物體系的代謝產(chǎn)物分析的四個(gè)層次1)代謝物靶標(biāo)分析(Metabolitetargetanalysis):某個(gè)或某幾個(gè)特定組分的分析;2)代謝輪廓分析(Metabolicprofiling):少數(shù)預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的定量分析。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;6生物體系的代謝產(chǎn)物分析的四個(gè)層次1)代謝物靶標(biāo)分析(M753)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(Metabolicfingerp-rinting):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)。3)代謝組學(xué)(Metabolomics):限定條件下的76二代謝組學(xué)的研究方法

代謝組學(xué)流程包括樣品的采集預(yù)處理數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的分析及解釋二代謝組學(xué)的研究方法代謝組學(xué)流程包括77研究平臺(tái)主要由分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)構(gòu)成。代謝組學(xué)力求分析生物體系(如體液和細(xì)胞)中的所有代謝產(chǎn)物,所以整個(gè)過程中都強(qiáng)調(diào)盡可能的保留和反映總的代謝產(chǎn)物的信息。研究平臺(tái)主要由分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)構(gòu)成。代謝組學(xué)力求分781分析技術(shù)平臺(tái)代謝組學(xué)的研究中最常見的分析工具是NMR,特別是1H-NMR,優(yōu)點(diǎn)對(duì)樣品的非破壞性、非選擇性分析,滿足了代謝組學(xué)中的對(duì)盡可能多的化合物進(jìn)行檢測的目標(biāo)。缺陷:靈敏度低分辨率不高因此常導(dǎo)致高豐度的分析物掩蓋低豐度的分析物。1分析技術(shù)平臺(tái)代謝組學(xué)的研究中最常見的分析工具是NMR,79在植物的代謝組學(xué)研究中,主要采用的技術(shù)為GC/MS。優(yōu)勢能夠提供較高的分辨率和檢測靈敏度有可供參考、比較的標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫,可以方便地得到待分析代謝組分的定性結(jié)果。局限性只能對(duì)其中的揮發(fā)性組分實(shí)現(xiàn)直接分析。在植物的代謝組學(xué)研究中,主要采用的技術(shù)為GC/MS。80

LC/MS(/MS)技術(shù)逐漸被廣泛地用于代謝組學(xué)的研究中。LC/MS采用LC作為其主要的分離手段,增強(qiáng)了其分辨能力,與MS或MS/MS的聯(lián)用可以得到代謝組分的結(jié)構(gòu)信息。與GC相比,預(yù)處理相對(duì)簡單。LC/MS(/MS)技術(shù)逐漸被廣泛地用于代謝組學(xué)的研究中812數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

在得到分析對(duì)象的原始數(shù)據(jù)后,首先需要對(duì)各種分析手段得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到可用于代謝組學(xué)研究的格式。根據(jù)各種分析手段(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)自身的特點(diǎn),研究者們開發(fā)出了相應(yīng)的算法對(duì)原始譜圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、峰對(duì)齊、去噪等處理。然后需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,挖掘隱含于其中的有用信息。2數(shù)據(jù)分析平臺(tái)在得到分析對(duì)象的原始數(shù)據(jù)后,首先需要對(duì)各種82模式識(shí)別技術(shù)主要有模式識(shí)別技術(shù)主要有非監(jiān)督和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法兩種非監(jiān)督(un-supervised)學(xué)習(xí)方法主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、非線形映射(NonlinearMapping,NLM)、模式識(shí)別技術(shù)主要有模式識(shí)別技術(shù)主要有非監(jiān)督和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法兩83有監(jiān)督(supervised)學(xué)習(xí)方法。簇類分析(HierarchicalClusterAnaly-sis,HCA)簇類的獨(dú)立軟模式分類法(SoftIn-dependent

ModelingofClassAnalogy，SIMCA)、PLS-DA

(PLS-Discriminant

Analysis)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork，ANN)等有監(jiān)督(supervised)學(xué)習(xí)方法。84代謝組學(xué)的研究方法分為三階段前期中期后期

代謝組學(xué)的研究方法分為三階段85前期---樣品制備代謝組學(xué)研究常用的檢測技術(shù),一般不需要對(duì)標(biāo)本行特別的分離、純化等。但須立即阻斷內(nèi)在酶的活性。最為常用的是冰凍/液氮降溫法冷凍、干燥細(xì)胞間仍始終有一低水平的代謝活動(dòng),需盡量避免氧化等活化因素。前期---樣品制備代謝組學(xué)研究常用的檢測技術(shù),一般不需要對(duì)標(biāo)86中期---產(chǎn)物檢測、分析與鑒定

代謝產(chǎn)物的檢測、分析與鑒定是代謝組學(xué)技術(shù)的核心部分,最常用的方法是有兩種NMR質(zhì)譜(MS)中期---產(chǎn)物檢測、分析與鑒定代謝產(chǎn)物的檢測、分析與鑒定是87(1)核磁共振技術(shù)原理核磁共振技術(shù)核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時(shí)作用，且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)，是一種利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關(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)

可用于體液或組織提取液和活體分析兩大類(1)核磁共振技術(shù)原理88代謝指紋分析

(metabolicfingerprintanalysis)氫譜(1HNMR)將準(zhǔn)備好的生物標(biāo)本直接上樣檢測即可。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,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(metabolicfingerprintanalysis)”。代謝指紋分析

(metabolicfingerprint89兩組各自的特征性波明顯不同A腎乳頭組織;B腎皮質(zhì)組織

利用NMR檢測不同組織的圖譜兩組各自的特征性波明顯不同A腎乳頭組織;B腎皮質(zhì)組織90代謝輪廓分析

(metabolicprofi-linganalysis)NMR對(duì)活體內(nèi)外的非損傷組織、器官進(jìn)行研究。以心臟的磷譜研究為例,將預(yù)處理的體外灌流心臟直接置于檢測區(qū),持續(xù)觀察低氧干預(yù)下31PNMR譜峰的改變情況,發(fā)現(xiàn)低氧狀況下,P3+和Mg2+的含量增加,并隨低氧的延長而加深、加重。這種分析器官或組織中某一代謝物或組合隨時(shí)間變化的情況,稱之為“代謝輪廓分析(metabolicprofi-linganalysis)

代謝輪廓分析

(metabolicprofi-linga91NMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)①無損傷性,不破壞樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì);②可在一定的溫度和緩沖范圍內(nèi)進(jìn)行生理?xiàng)l件或接近生理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn);③與外界特定干預(yù)相結(jié)合,研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中機(jī)體化學(xué)交換、運(yùn)動(dòng)等代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律;④實(shí)驗(yàn)方法靈活多樣。缺點(diǎn)儀器價(jià)格昂貴維護(hù)費(fèi)用高靈敏度低NMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)92(2)質(zhì)譜技術(shù)

原理首先使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器.在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使離子發(fā)生相反的速度色散，將他們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量.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，如氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用(GC一MS)，液相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用(Lc一MS)和毛細(xì)管電泳一質(zhì)譜聯(lián)用(CE一MS)等是質(zhì)譜相關(guān)技術(shù)中的常見技術(shù)，在代謝組學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用.(2)質(zhì)譜技術(shù)原理93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)一步的檢測分析可以部分鑒定出化學(xué)成分以及半定量關(guān)系。

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、94代謝組學(xué)-資料課件95(3)常用的其他一些分析技術(shù)氣相色譜(GC)高效液相色譜儀(HPLC)高效毛細(xì)管電泳(HPCE)往往與NMR或MS技術(shù)聯(lián)用,進(jìn)一步增加其靈敏性。敏感性及分辨率提高,“假陽性”率也就越大(3)常用的其他一些分析技術(shù)氣相色譜(GC)96后期---數(shù)據(jù)分析與模型建立

代謝組學(xué)研究的后期需借助于生物信息學(xué)平臺(tái)

借助于一定的軟件,聯(lián)合多種數(shù)據(jù)分析技術(shù),將多維、分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、分類及判別分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的定性、定量關(guān)系,解讀數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的生物學(xué)意義,闡述其與機(jī)體代謝的關(guān)系。

后期---數(shù)據(jù)分析與模型建立代謝組學(xué)研究的后期需借助于生物97影響代謝組學(xué)分析的主要因素生物種屬:如靈長類、嚙齒類及兔類尿甘氨酸的量差別較大;不同種的雄性小鼠對(duì)氯仿腎毒性及鎘肝毒性的易感性也不同性別:雄性波峰的變異性明顯高于雌性,而前者對(duì)藥物及毒物的敏感性也高影響代謝組學(xué)分析的主要因素生物種屬:98年齡:在四氯化碳的肝毒性模型研究中,發(fā)現(xiàn)28月齡的F344大鼠較5月齡的敏感性差;并隨年齡增長,尿液中三羧酸的代謝產(chǎn)物也不同;尿中代謝產(chǎn)物的組成變化還與個(gè)體間的健康狀況、遺傳差異性等密切相關(guān)。

生物活環(huán)境:溫度、覺醒等刺激,甚至周圍氣候不同、菌群的改變,代謝組也可發(fā)生種類及數(shù)量的差別。

年齡:99晝夜節(jié)律:晝夜節(jié)律更替影響了體內(nèi)激素水平,血清代謝譜亦隨之變化;主成分(PCA)分析核磁共振(1HNMR)譜,能很容易識(shí)別不同時(shí)間點(diǎn)的尿樣品:白天尿中的?；撬?、馬尿酸、肌酐水平較高,而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相應(yīng)較低。飲食:略

晝夜節(jié)律:100改變飼養(yǎng)條件菌群環(huán)境,小鼠尿液核磁共振(NMR)譜隨時(shí)間變化圖

改變飼養(yǎng)條件菌群環(huán)境,小鼠尿液核磁共振(NMR)譜隨時(shí)間變化101主成分分析法(PCA)

---最常用的分析方法

將分散于一組變量上的信息集中于幾個(gè)綜合指標(biāo)(PC)上,如糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等,利用主成分描述機(jī)體代謝的變化情況,發(fā)揮了降維分析的作用,避免淹沒于大量數(shù)據(jù)中.主成分分析法(PCA)

---最常用的分析方法將分散于一組102代謝主成分(PCA)分析示意圖:根據(jù)不同種的核磁共振代謝數(shù)據(jù),從中計(jì)算出成分1、2及標(biāo)本的加權(quán)值,在此基礎(chǔ)上,對(duì)所測標(biāo)本進(jìn)行有效地分類和鑒定代謝主成分(PCA)分析示意圖:根據(jù)不同種的核磁共振代謝數(shù)103其他模式識(shí)別技術(shù)

聚類分析辨別式功能分析最小二乘法投影法

現(xiàn)實(shí)情況下,代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)更為復(fù)雜,需要借助復(fù)雜的模型或