凉拌海带怎么做代谢组学的研究方法和研究流程

2021年1月17日发(作者：张信哲)
代谢组学的研究方法和研究流程

分子微生物学
112300003
林兵

随着人类基因组计划等重大科学项目的 实施
,
基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究
人类生命科学的过程中发挥了重要的作 用
,
与此同时
,
代谢组学
（
metabolomics
）
在
20
世纪
90
年代中期产生并迅速地发展起来
,
与基因组学、
转录组学、
蛋白质组学共同组成系统生物
学。基因组学、转 录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学
0
在生命科学领域中发挥了重
要的作用,
它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究
,
使人们能够从分子水平研究生
命现象
,
探讨生命的本质
,
逐步系统地认识生命发展的规律。
这些组学手段加上生物信息学
,
成为系统生物学的重要组成部分。


代谢组学的出现和发展是必要的
,
同时也是必须的。
对于基因组学和蛋白质 组学在生命
科学研究中的缺点和不足
,
代谢组学正好可以进行弥补。
代谢组 学研究的是生命个体对外源
性物质
(
药物或毒物
)
的刺激、
环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答
,
并且检测这种应
答的全貌及其动态变化 。
代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段
,
同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。

1
代谢组学的概念及发展


代谢组学最初是由英国帝国理工大学
Jeremy N icholson
教授提出的
,
他认为代谢组学
是将人体作为一个完整的系统
,
机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究
,
并且将
代谢组学定义为生 物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。
2000
年
,
德国马普所的
Fiehn
等提出了代谢组学的概念
,
但是与
N icholson
提出的代谢组学
不同
,
他是将代谢组学定位为一个静态的过程
,
也可以称为
/
代谢物组学
,
即对限定条件下
的特定生物样 品中所有代谢产物的定性定量分析。同时
Fiehn
还将代谢组学按照研究目的的
不同 分为
4
类
:
代谢物靶标分析
,
代谢轮廓
(
谱
)
分析
,
代谢组学
,
代谢指纹分析。现在代谢
组学在国内外的研究都在迅速地发展
,
科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善
,
作出
了科学的定义
:
代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物
质的定性定量分析,
从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答
规律的科学。

与基因组学、
转录组学、
蛋白质组学相同
,
代谢组学的主要研究思想是全局观点。
与传
统的代谢研究相比
,
代谢组学融合了物理学、
生物学及分析化学等多学科知识
,
利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测
,
并通
过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。
由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物
,
而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的
,
因此
,
代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化
,
这使研究对象从微观
的基因变为宏观的代谢物
,
宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直
观
,
易于理解
,
这点也是代谢组学研究的优势之一。

代谢组学的优势主要包括
:
对机体损伤小
,
所得到的信息量大
,
相对于基因组学和蛋
白质组学检测更加容易。
由于代谢组学发展的时间较短
,
并且由于代谢组学的分析对象是无
偏向性的样品中所有的小分子物质
,
因此对分析手段的要求比较高
,
在数据处理和模式识
别上也不成熟
,
存在一些不足之处。
同时生物体代谢物组变化快
,
稳定性较难控制
,
当机体
的生理和药理效应超敏时
,
受试物即使没有相关毒性
,
也可能引起明显的代谢变化
,
导致
假阳性结果。


代谢组学应用领域大致可以分为以下
7
个方面
:
( 1)
植物功能基因组研究
,
主要以拟南芥为研究模型
,
也包括一些转基因作物的研究。

( 2)
疾病诊断
,
根据代谢物特征图谱诊断肿瘤、糖尿病等疾病。

( 3)
制药业即新药临床前安全性评价
,
主要通过高通量比对预测药物的毒性和有效性
,
通过全面分析来发现新的生物指示剂。

( 4)
微生物领域。

( 5)
毒理学研究
,
包括利用代谢组学平台研究环境毒理及药物毒理。

( 6)
食品及营养学
,
即研究食品中进入体内的营养成分及其与体内代谢物的相互作用。

( 7 )
在中药现代化及其机理上的研究。

2
代谢组学的研究方法



代谢组学的研究过程一般包括代谢组数据的采集、
数据预处理、
多变量数据分析、
标记
物识别和途径分析等步骤。
首先
,
采集生物样品
(
如尿液、
血液、
组织、
细胞和培养液等
),
对
其进行生物反应灭活、
预处理。
再运用先进的分析手段如核磁共振、
质谱或色谱等检测样品
中所有代谢物的种类、含量、状态
,
从而得到原始的大量的反映生物样品信息的实验数据
,
而后使用多变量数据分析方法对获得的多维复杂数据进行降维和信息挖掘
,
从这些复杂大
量的信息中筛选出最主要的最能反映代谢物变化的主要成分
,
再通过模式识别将其与标准
的代谢物谱进行比对
,
或是根据代谢物谱在时程上的变化来寻找生物标记物
,
研究相关代
谢物变化涉及的代谢途径和变化规律
,
以阐述生物体对相应刺激的响应机制。
同时由于不同
分析手段各有其特点
,
在不同应用领域使用的分析方法也是有所不同的。

2.1
核磁共振技术


核磁共振
( nuclearmagnetic resonance, NMR )
是有机结构测定的四大谱学之一
,
作为
一种分析物质的手段
,
由于其可深入物质内部而不破坏样品
,
并具有迅速、
准确、
分辨率 高
等优点而得以迅速发展和广泛应用。
在代谢组学发展的早期
,
NMR
技术被广泛应用在毒性代
谢组学的研究中。
NMR
的优势在于能够对样品实现无创性、
无偏向的检测
,
具有良好的客观
1
性和重现性
,
样品不需要烦琐处理
,
具有较高的通量和较低的单位样品检测成本。此外
,
H
-NMR
对含氢化合物均有响应
,
能完成样品中大多数化合物的检测
,
满足代谢组学中的对尽
可能多的化合物进行检测的目标。

NMR
虽然可对复杂样品如尿液、血液等进行非破坏性分析
,
与质谱法相比
,
它的缺点是
检测灵敏度相对较低
(
采用现有成熟的超低温探头技术
,
其检测灵敏度在纳克级水平
)
、
动态
范围有限
,
很难同时测定生物体系中共存的浓度相差较大的代谢产物
;
同时
,
购置仪器所需
的投资也较大。为了改进
NMR
检测灵敏度较低的缺点
,
可采用高分辨核磁共振技术或使用多
维核磁共振技术和液相色谱
-
核磁共振联用
(LC-NMR)
。
魔角旋转
(magicangle
spinning,MAS)
核磁共振技术是
20
世纪
90
年代初发展起来的一种新型的核磁共振技术
,
在代谢组学的研究
中
,
魔角旋转核磁共振波谱技术已被成功地应用到研究生物组织上
,
因为生物组织在核 磁共
振实验中会由于磁化率不均匀、
分子运动受限等因素而引起谱线增宽。
这些因素利 用固体核
磁共振中的
MAS
方法可以消除。例如大鼠肝脏、哺乳动物肾脏以及大鼠睾丸 组织等。

2.2
质谱联用技术

GC
—
MS
是代谢组学常用的方法，
原先主要应用于植物组学研究，
随着代
}
工程和分析技
术的快速发展，
其在微生物代谢组学的应用越来越引起关注。
GC
—
MS
的分离效率高，
易于使
用且较为经济，
特别是采用标准的电 子轰击
(EI)
模式后，
其使用范围和重复性都进一步提高。
但是
G C
—
MS
需要对挥发性较低的代谢物进行衍生化预处理，
这一步骤会耗费额外 的时间，
甚