一文看懂什么是代謝組學(xué)

一文看懂什么是代謝組學(xué)

代謝組學(xué)的概念來源于代謝組，代謝組是指某一生物或細(xì)胞在一特定生理時(shí)期內(nèi)所有的低分子量代謝產(chǎn)物，代謝組學(xué)則是對(duì)某一生物或細(xì)胞在一特定生理時(shí)期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行定性和定量分析的一門新學(xué)科　(Goodacre，2004)。它是以組群指標(biāo)分析為基礎(chǔ)，以高通量檢測和數(shù)據(jù)處理為手段，以信息建模與系統(tǒng)整合為目標(biāo)的系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)分支。

然而，代謝組學(xué)畢竟興起的時(shí)間短，許多小伙伴對(duì)其還不甚了解，鑠思百小編就收到了許多老師的關(guān)于代謝組學(xué)方面的疑問，鑠思百小編在這里將這些問題進(jìn)行了整理， 希望能對(duì)小伙伴們有所幫助。話不多說， 讓我們進(jìn)入正題吧!

一、什么情況下選擇代謝組學(xué)?

代謝組學(xué)(Metabonomics or Metabolomics) 代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后新近發(fā)展起來的一門學(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，比如疾病診斷、醫(yī)藥研制開發(fā)、營養(yǎng)食品科學(xué)、毒理學(xué)、環(huán)境學(xué)，植物學(xué)等與人類健康護(hù)理密切相關(guān)的領(lǐng)域?；蚪M學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分別從基因和蛋白質(zhì)層面探尋生命的活動(dòng)，而實(shí)際上細(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（cell signaling），能量傳遞，細(xì)胞間通信等都是受代謝調(diào)控的。

二、代謝組學(xué)該選擇什么平臺(tái)?

代謝組學(xué)的技術(shù)平臺(tái)主要分為NMR、GC-MS、LC-MS。

NRM核磁共振技術(shù)，是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。

GC-MS全稱是氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，載氣推動(dòng)復(fù)雜分析物，經(jīng)氣相色譜分離，進(jìn)入到高真空質(zhì)譜系統(tǒng)的離子源進(jìn)行離子化。根據(jù)不同碎片離子在電磁場的不同運(yùn)動(dòng)行為，按質(zhì)荷比(m/z)排列得到質(zhì)譜信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)代謝物的定性定量。

LC-MS全稱液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。樣品在色譜部分和流動(dòng)相分離，被離子化后，經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì)量分析器將子母離子碎片按質(zhì)量數(shù)分開，經(jīng)檢測器得到化合物質(zhì)譜信息，進(jìn)而得到代謝物的定性定量結(jié)果。

GC-MS和LC-MS技術(shù)結(jié)合了色譜良好的分離能力和質(zhì)譜的普適性、高靈敏度以及專一性， 是目前做代謝組學(xué)常用的技術(shù)平臺(tái)。但是目前為止沒有任何一個(gè)檢測平臺(tái)能夠同時(shí)檢測樣本中所有的化合物，只能通過選擇性的提取結(jié)合各檢測平臺(tái)的并行檢測來解決。因此在選擇平臺(tái)時(shí)應(yīng)結(jié)合自身樣本情況與個(gè)體需求，綜合考慮。

三、做代謝組學(xué)選取什么類型的樣本? 樣本如何處理?

一般而言，代謝組學(xué)樣本的類型多種多樣，常見的有以下幾大類:血清、血漿、尿液、糞便、細(xì)胞、細(xì)菌、組織、培養(yǎng)液、植物的花、莖、葉等。老師們可根據(jù)自己的研究目的選取合適的樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

代謝研究的樣本處理和采集要遵循“保持最鮮活狀態(tài)”的原則，采集樣本后立即通過置于液氮、干冰或者-80°C冰箱中，阻止樣本離體后的進(jìn)一步代謝活動(dòng)， 并保證樣本在實(shí)驗(yàn)前一直處于-80°C以下。

四、代謝組學(xué)的研究

非靶向代謝組學(xué)服務(wù)，即普篩或者盲篩，目的在于篩選出兩組樣本間的差異代謝物，結(jié)果我們會(huì)提供一份數(shù)據(jù)矩陣，多元統(tǒng)計(jì)分析(PCA、PLS-DA、OPLS-DA)，差異代謝物列表，高級(jí)分析(差異代謝物層次聚類分析和通路注釋、富集分析)。需要注意的是LC-MS非靶向代謝組學(xué)分析無法得到全物質(zhì)鑒定的信息。GC-MS非靶向代謝組學(xué)如果需要全物質(zhì)鑒定的信息需提前。

五、開展代謝組學(xué)研究，如何設(shè)計(jì)樣本的生物學(xué)重復(fù)?

代謝物處于生命活動(dòng)的下游，相較于基因和蛋白，其動(dòng)態(tài)波動(dòng)性大。因此需要很多生物學(xué)重復(fù)來增加數(shù)據(jù)的可靠性和說服力。

對(duì)于全物質(zhì)鑒定的項(xiàng)目:一般情況下是可以不設(shè)置生物學(xué)重復(fù)，也可以設(shè)置生物學(xué)重復(fù)，沒有特別的規(guī)定，老師可根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行設(shè)置。

非靶向代謝組學(xué)項(xiàng)目:是必須要設(shè)置生物學(xué)重復(fù)的。通常情況下細(xì)胞/微生物樣本每組至少6個(gè)生物學(xué)重復(fù)，模式動(dòng)物/植物樣本每組至少10個(gè)生物學(xué)重復(fù)，臨床樣本每組至少30個(gè)生物學(xué)重復(fù)。樣本重復(fù)數(shù)量強(qiáng)烈建議大于6個(gè)，樣本數(shù)量過少，后續(xù)多元統(tǒng)計(jì)分析模型容易過擬合，統(tǒng)計(jì)結(jié)果不可靠，會(huì)遭受質(zhì)疑。

靶向代謝組學(xué)項(xiàng)目:一般是用于驗(yàn)證的，所以生物學(xué)重復(fù)的個(gè)數(shù)越多最終的結(jié)果是越可靠的。一般情況下，靶向代謝組學(xué)每組至少3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，少于3個(gè)生物學(xué)重復(fù)結(jié)果是不可靠的。

六、同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的樣品可不可以分成兩批檢測?

建議最好不要分成兩批檢測，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)儀器的響應(yīng)是會(huì)發(fā)生變化，這樣可能導(dǎo)致的問題是一些含量低的物質(zhì)可能只在一個(gè)批次里被檢出，這樣導(dǎo)致最終的結(jié)果不可靠，我們應(yīng)當(dāng)盡可能的減少人為因素以及儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

七、每組樣本的生物學(xué)重復(fù)個(gè)數(shù)一定要一致嗎?

每組樣本的生物學(xué)重復(fù)的個(gè)數(shù)不一致也是可以的，但最好相差不要太多，差別不要超過2/3就可以了。相比較而言，每組生物學(xué)重復(fù)的數(shù)量足夠多是更為重要的。

八、代謝組學(xué)的發(fā)展前景

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)后出現(xiàn)的新興“組學(xué)”,自1999年以來，每年發(fā)表的代謝組學(xué)研究的文章數(shù)量都在不斷增加。從表面上看，代謝組學(xué)的發(fā)展很迅速，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)?！拔覀冞€在期待著重大發(fā)現(xiàn)”，Griffin博士解釋說，在Nature上發(fā)表的那些文章，讓人們對(duì)代謝組學(xué)充滿了期待：尋找一種新的生物標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)一條新的代謝途徑，或更深入的了解目前已知的這些途徑。盡管還沒有經(jīng)典論文出現(xiàn),但是研究人員相信，與基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)將在臨床上發(fā)揮更大的作用。許多公司通過市場研究發(fā)現(xiàn)，健康人并不希望進(jìn)行基因型分析，所以，對(duì)于這些人群來說，基因組學(xué)研究在臨床上的應(yīng)用很有限。而代謝組學(xué)與臨床化學(xué)較為相似，且相對(duì)于基因組學(xué)來說，提供的個(gè)人信息更少，故其在臨床上的應(yīng)用有可能產(chǎn)生一定的影響。較低的費(fèi)用，是促使代謝組學(xué)在臨床上易于接受的另一個(gè)原因。Griffin博士指出，與其他“組學(xué)”研究相比，代謝組學(xué)的費(fèi)用更低，研究人員可以通過代謝組學(xué)研究篩檢出代謝產(chǎn)物，然后采用更昂貴的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的方法對(duì)有意義的代謝產(chǎn)物進(jìn)一步加以研究。首先，必須識(shí)別出代謝產(chǎn)物，這并不是簡單的工作。Siuzak博士認(rèn)為，代謝組學(xué)研究最大的挑戰(zhàn)就在于對(duì)代謝產(chǎn)物的識(shí)別，這也是最有趣的方面，而更具挑戰(zhàn)性的工作，是進(jìn)一步確認(rèn)所有代謝物的功能。此外，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，代謝產(chǎn)物的同質(zhì)性不高，由于缺乏均勻性，使色譜分析變得更加困難，無法識(shí)別出樣品中的未知物質(zhì)。

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