代謝組學1生物系統(tǒng)(機體)外部或內部刺激知識或模型基因→轉錄→翻譯→代謝基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學數(shù)據(jù)處理↓↓↓↓↓系統(tǒng)生物學:用系統(tǒng)的觀點或措施碩士物體系,以獲得海量數(shù)據(jù)和生物模型.其特點是不用單一指標描述生物體的狀態(tài),而是用多元數(shù)據(jù)組進行描述.23一代謝組學的基本概念自20世紀末出現(xiàn)基因組學概念后來,多種”組學(-omics)”呈井噴式爆發(fā).有人記錄共有數(shù)百種組學問世.常見的如基因組學,蛋白質組學,轉錄組學,代謝組學上述組學還可再分出諸多亞組學,如肝細胞轉錄組學,骨代謝組學等41代謝組的概念細胞內的生命活動均以代謝為基礎，代謝物的變化可更直接反應細胞所處的環(huán)境，如營養(yǎng)狀態(tài)、藥物作用和環(huán)境變化等。代謝組指一種細胞、組織或器官中,所有代謝產物的集合,一般指分子量不不小于1000D的物質.52代謝組學的概念在新陳代謝的動態(tài)進程中,系統(tǒng)地研究代謝產物的變化規(guī)律,揭示機體生命活動代謝本質的科學。

6Metabonomics

---英JeremyK.Nicholson20世紀90年代生命體系對病理生理刺激或遺傳改造所產生的動態(tài),多指標代謝響應的定量測定.Metabolomics

---OliverFiehn二十一世紀初全面定量分析生物體系中的所有代謝產物.73代謝組學的發(fā)展過程代謝組學的研究可以追溯至上世紀80年代。1970s代謝輪廓分析(Metabolicprofiling),Devaux等人于上世紀70年代提出。1985年,Nicholson研究小組運用核磁共振(NMR)技術分析大鼠的尿液,意識到這也許是生命科學研究的巨大突破.81986年,JournalofChromatographyA出版了一期有關Metabolicprofiling的專輯。90年代后期,伴隨基因組學的提出和迅速發(fā)展,Oliver于1997年提出了代謝組學(metabolomics)的概念,之后諸多植物化學家開展了這方面的研究.91999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,使得代謝組學得到了極大的充實,同步也形成了目前代謝組學的兩大主流領域：metabolomics和metabonomics。10一般認為,metabolomics是通過考察生物體系受刺激或擾動后(如將某個特定的基因變異或環(huán)境變化后)代謝產物的變化或其隨時間的變化,來碩士物體系的代謝途徑的一種技術。而metabonomics是生物體對病理生理刺激或基因修飾產生的代謝物質的質和量的動態(tài)變化的研究。前者一般以細胞做研究對象,后者則更重視動物的體液和組織。114代謝組學與其他組學關系

基因組學重要碩士物系統(tǒng)的基因構造構成,即DNA的序列及體現(xiàn)。蛋白組學研究由生物系統(tǒng)體現(xiàn)的蛋白及由外部刺激引起的差異。代謝組學是碩士物體系(細胞,組織或生物體)受外部刺激所產生的所有代謝產物的變化。12代謝組學是“組學”研究的最終方向基因組的變化不一定可以得到體現(xiàn),從而并不對系統(tǒng)產生影響。某些蛋白的濃度會由于外部條件的變化而升高,但由于這個蛋白也許不具有活性,從而也不對系統(tǒng)產生影響。由于基因或蛋白的功能賠償作用,某個基因或蛋白的缺失會由于其他基因或蛋白的存在而得到賠償,最終反應的凈成果為零。而小分子的產生和代謝才是這一系列事件的最終止果,它可以更精確地反應生物體系的狀態(tài)。13基因組學告訴你也許發(fā)生什么蛋白質組學告訴你怎樣發(fā)生什么代謝組學告訴你已經發(fā)生了什么。145代謝組學長處1)基因和蛋白體現(xiàn)的有效的微小變化會在代謝物上得到放大,從而使檢測更輕易；2)代謝組學的技術不需建立全基因組測序及大量體現(xiàn)序列標簽(EST)的數(shù)據(jù)庫；

153)代謝物的種類要遠不不小于基因和蛋白的數(shù)目。每個生物體(organism)中代謝產物大概在103數(shù)量級,而最小的細菌,其基因組中也有幾千個基因；4)由于代謝產物在各個生物體系中都是類似的,因此代謝組學研究中采用的技術更通用。166生物體系的代謝產物分析的四個層次1)代謝物靶標分析(Metabolitetargetanalysis):對某個或某幾種特定組分的分析;2)代謝輪廓/譜分析(Metabolicprofilinganalysis):對一系列少數(shù)預設的某些代謝產物的定量分析。如某一類構造、性質有關的化合物(氨基酸、有機酸、順二醇類)或某一代謝途徑的所有中間產物或多條代謝途徑的標志性組分析;173)代謝組學(Metabolomics):對某畢生物體或細胞在（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):不分離鑒定詳細單一組分,而是對樣品進行高通量的迅速定性分析。18二代謝組學的研究措施代謝組學流程包括樣品的采集預處理數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的分析及解釋19研究平臺重要由分析技術平臺和數(shù)據(jù)分析平臺構成。代謝組學力爭分析生物體系(如體液和細胞)中的所有代謝產物,因此整個過程中都強調盡量的保留和反應總的代謝產物的信息。201分析技術平臺代謝組學的研究中最常見的分析工具是NMR,尤其是1H-NMR、13C-NMR、31P-NMR長處對樣品的非破壞性、非選擇性分析,滿足了代謝組學中的對盡量多的化合物進行檢測的目的。缺陷:敏捷度低辨別率不高因此常導致高豐度的分析物掩蓋低豐度的分析物。21在植物的代謝組學研究中,重要采用的技術為GC（氣相色譜）/MS（質譜）。優(yōu)勢可以提供較高的辨別率和檢測敏捷度有可供參照、比較的原則譜圖庫,可以以便地得到待分析代謝組分的定性成果。局限性只能對其中的揮發(fā)性組分實現(xiàn)直接分析。22LC/MS(/MS)技術逐漸被廣泛地用于代謝組學的研究中。LC/MS采用LC作為其重要的分離手段,增強了其辨別能力,與MS或MS/MS的聯(lián)用可以得到代謝組分的構造信息。與GC相比,預處理相對簡樸。232數(shù)據(jù)分析平臺

在得到分析對象的原始數(shù)據(jù)后,首先需要對多種分析手段得到的原始數(shù)據(jù)進行處理,得到可用于代謝組學研究的格式。根據(jù)多種分析手段(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)自身的特點,研究者們開發(fā)出了對應的算法對原始譜圖的數(shù)據(jù)進行提取、峰對齊、去噪等處理。然后需要對這些數(shù)據(jù)進行分析,挖掘隱含于其中的有用信息。24模式識別技術重要有模式識別技術重要有非監(jiān)督和有監(jiān)督學習措施兩種非監(jiān)督(un-supervised)學習措施主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、非線形映射(NonlinearMapping,NLM)、25有監(jiān)督(supervised)學習措施。簇類分析(HierarchicalClusterAnaly-sis,HCA)簇類的獨立軟模式分類法(SoftIn-dependent

ModelingofClassAnalogy，SIMCA)、PLS-DA

(PLS-Discriminant

Analysis)、人工神經網絡(ArtificialNeuralNetwork，ANN)等26代謝組學的研究措施分為三階段前期中期后期

27前期---樣品制備代謝組學研究常用的檢測技術,一般不需要對標本行尤其的分離、純化等。但須立即阻斷內在酶的活性。最為常用的是冰凍/液氮降溫法冷凍、干燥細胞間仍一直有一低水平的代謝活動,需盡量防止氧化等活化原因。28中期---產物檢測、分析與鑒定

代謝產物的檢測、分析與鑒定是代謝組學技術的關鍵部分,最常用的措施是有兩種NMR質譜(MS)29(1)核磁共振技術原理核磁共振技術核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同步作用，且滿足一定條件時所發(fā)生的共振吸取現(xiàn)，是一種運用原子核在磁場中的能量變化來獲得有關核信息的技術.生命科學領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30代謝指紋分析

(metabolicfingerprintanalysis)氫譜(1HNMR)將準備好的生物標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應,根據(jù)一定的規(guī)則或與原則氫譜比照可以直接鑒定出代謝物的化學成分,信號的相對強弱則反應了各成分的相對含量。不一樣樣品的代謝物圖譜有其特質性,對這種特質性進行辨別、鑒定,被稱為“代謝指紋分析(metabolicfingerprintanalysis)”。31代謝譜分析

(metabolicprofi-linganalysis)NMR對活體內外的非損傷組織、器官進行研究。以心臟的磷譜研究為例,將預處理的體外灌流心臟直接置于檢測區(qū),持續(xù)觀測低氧干預下31PNMR譜峰的變化狀況,發(fā)現(xiàn)低氧狀況下,P3+和Mg2+的含量增長,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間變化的狀況,稱之為“代謝輪廓分析(metabolicprofi-linganalysis)32NMR技術的長處與缺陷長處①無損傷性,不破壞樣品的構造和性質;②可在一定的溫度和緩沖范圍內進行生理條件或靠近生理條件的試驗;③與外界特定干預相結合,研究動態(tài)系統(tǒng)中機體化學互換、運動等代謝產物的變化規(guī)律;④試驗措施靈活多樣。缺陷儀器價格昂貴維護費用高敏捷度低33(2)質譜技術

原理首先使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不一樣荷質比的帶正電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器.在質量分析器中，再運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譜圖，從而確定其質量.色譜和電泳等分離措施與質譜分析相結合為復雜代謝物的在線分離分析提供有力的手段，如氣相色譜一質譜聯(lián)用(GC一MS)，液相色譜一質譜聯(lián)用(Lc一MS)和毛細管電泳一質譜聯(lián)用(CE一MS)等是質譜有關技術中的常見技術，在代謝組學的各個領域有廣泛的應用.34將預處理的體液或是組織(根據(jù)試驗需要,可將組織行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及凍干等處理),加至質譜儀,經歷汽化,離子化、加速分離及檢測分析后即可得出對應代謝產物或是代謝組的圖譜。圖譜中每個峰值對應著對應的分子量,結合深入的檢測分析可以部分鑒定出化學成分以及半定量關系。35(3)常用的其他某些分析技術氣相色譜(GC)高效液相色譜儀(HPLC)高效毛細管電泳(HPCE)往往與NMR或MS技術聯(lián)用,深入增長其敏捷性。敏感性及辨別率提高,“假陽性”率也就越大36后期---數(shù)據(jù)分析與模型建立

代謝組學研究的后期需借助于生物信息學平臺借助于一定的軟件,聯(lián)合多種數(shù)據(jù)分析技術,將多維、分散的數(shù)據(jù)進行總結、分類及鑒別分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的定性、定量關系,解讀數(shù)據(jù)中蘊藏的生物學意義,論述其與機體代謝的關系。

37影響代謝組學分析的重要原因生物種屬:如靈長類、嚙齒類及兔類尿甘氨酸的量差異較大;不一樣種的雄性小鼠對氯仿腎毒性及鎘肝毒性的易感性也不一樣性別:雄性波峰的變異性明顯高于雌性,而前者對藥物及毒物的敏感性也高38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物也不一樣;尿中代謝產物的構成變化還與個體間的健康狀況、遺傳差異性等親密有關。生物活環(huán)境:溫度、覺醒等刺激,甚至周圍氣候不一樣、菌群的變化,代謝組也可發(fā)生種類及數(shù)量的差異。39晝夜節(jié)律:晝夜節(jié)律更替影響了體內激素水平,血清代謝譜亦隨之變化;主成分(PCA)分析核磁共振(1HNMR)譜,能很輕易識別不一樣步間點的尿樣品: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、肌酸等對應較低。飲食:略40主成分分析法(PCA)

---最常用的分析措施將分散于一組變量上的信息集中于幾種綜合指標(PC)上,如糖代謝、脂質代謝、氨基酸代謝等,運用主成分描述機體代謝的變化狀況,發(fā)揮了降維分析的作用,防止沉沒于大量數(shù)據(jù)中.41其他模式識別技術

聚類分析辨別式功能分析最小二乘法投影法現(xiàn)實狀況下,代謝組學的數(shù)據(jù)更為復雜,需要借助復雜的模型或是專家系統(tǒng)進行分析.42三代謝組學的應用發(fā)掘疾病新的診斷措施研究疾病的發(fā)病機制研究疾病發(fā)生、發(fā)展、恢復的進程開發(fā)新藥研究藥物的作用機制，評價藥物的安全性和有效性等

431代謝組學在藥物領域中的應用(1)藥物篩選鑒別和確證動物模型代謝物組學研究可以辨別不一樣種屬、品系動物模型的代謝狀態(tài).在實行毒性篩選之前，可以先查清它們的生化狀態(tài)，尋找人類疾病、藥效或毒性檢查的最合適的動物模型。代謝物組分析可以辨別不一樣生理原因（飲食、健康狀況、晝夜節(jié)律、壓力）導致的代謝物組圖譜差異，這些差異會與藥物導致的細微變化相混淆。例如，Bollard等研究觀測到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄水平增長，而過去?；撬崮蚴亲鳛楦螕p傷的生物標志。因此，不考慮動物模型生理原因的影響會導致錯誤的毒性評價。

44(2)毒性篩選代謝組學有獨特的優(yōu)越性：①代謝組學樣品多為外周性生物體液，可以多次采樣，觀測單一動物毒性發(fā)作和恢復的全過程。②樣品處理簡樸。經某些非破壞性分析技術，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)毒性的分子標志物,大大減少藥物研發(fā)消耗。有的制藥企業(yè)已將該措施納入藥物開發(fā)方案。此外,液質聯(lián)用的應用也獲得了初步探索。

45(3)藥物作用機制研究如抗糖尿病藥羅格列酮對脂質代謝物組在不一樣的組織分布的影響。觀測到血漿中的特定磷脂酰膽堿、三酰甘油、膽固醇酯的總濃度減少，但這些脂類中的棕櫚烯酸,而棕櫚烯酸是肝脂合成增長的標志物，這與肝臟中觀測到的總三酰甘油蓄積相符。聯(lián)絡到血漿的低三酰甘油濃度，并且血液中的磷脂酰膽堿和三酰甘油重要由肝脂輸出，提醒該藥克制小鼠正常的肝臟-血液脂互換。由代謝組學測定揭示的生化變化可以很輕易地與老式手段（臨床化學和組織病理學）的檢測成