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代谢组学 （ Metabonomics ） 及其应用

2011 学科专题. 代谢组学 （ Metabonomics ） 及其应用. 生命科学学院 陆 巍. 学科的发展. 生命现象蕴含着海量的信息. 学科发展及关系. 三羧酸循环. 生物学中“ 组 ”的概念. “组”来源于希腊语 ome ，意指所有、每个或全部 ； 以它为后缀最初用于基因组 genome ，指一个物种的全部遗传组成 ； 自基因组学概念提出之后，带组学（ -omics ）的概念已出现 200 多种 。. 代谢组学的基本概念. 代谢组学的创建.

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代谢组学 （ Metabonomics ） 及其应用

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Presentation Transcript

  1. 2011学科专题 代谢组学（Metabonomics）及其应用 生命科学学院 陆 巍

  2. 学科的发展 生命现象蕴含着海量的信息

  3. 学科发展及关系

  4. 三羧酸循环

  5. 生物学中“组”的概念 • “组”来源于希腊语ome，意指所有、每个或全部； • 以它为后缀最初用于基因组genome，指一个物种的全部遗传组成； • 自基因组学概念提出之后，带组学（-omics）的概念已出现200多种。

  6. 代谢组学的基本概念

  7. 代谢组学的创建 • 普遍认为代谢组学的概念是英国帝国理工大学的Nicholson教授于1999年首先提出来的。 • Nicholson因为他在代谢组学发展上的开拓性贡献，被学术界公认为代谢组学创始人（代谢组学之父）。 Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E (November 1999). "'Metabonomics': understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data". Xenobiotica29 (11): 1181–9

  8. 代谢组学的定义 • Metabonomics，国内翻译成代谢组学。对生物系统进行的整体和动态的认识，主要将核磁共振技术应用于健康与疾病研究，多以来自动物的样品为研究对象。 • Metabolomics，国内翻译成代谢物组学。强调分析而且是静态的认识概念，主要应用色质联用等分析技术，多用于植物和微生物领域的研究。

  9. The metabolome consists of what? • Small organic molecules: amino acids, fatty acids, carbohydrates, vitamins, and lipids • & some inorganic, elemental species • Metabolome informatics resource: • Kyoto Encyclopedia of genes and genomes (kegg) • http://www.genome.jp/kegg/compound • The human metabolome project: metabolomics toolbox • http://www.metabolomics.ca • National Centre for Plants & Microbial Metabolomics: • http://www.metabolomics.bbsrc.ac.uk

  10. Size of metabolomes varies greatly • Saccharomyces cereviciae ~ 600 metabolites (compared to over ~6,000 genes) • Plants: ~ 200,000 primary & secondary metabolites • Human metabolome: Much larger • Degree of diversity encompasses: • Molecular weights (wide range of mwt) • Polar (carbohydrates) • Non-polar (terpenoids & lipids) • Volatile vs. non-volatile organic compounds

  11. Benefits of analyzing the metabolome • Number of metabolites lower than number of genes and proteins in a cell - sample complexity reduced • Although concentration of enzyme & metabolic flux may not significantly change during a biochemical reaction, concentration of metabolites can change significantly • Reflect more accurately functional level of a cell? • Metabolic fluxes regulated not only by gene expression but also by environmental stresses - hence worth measuring downstream products (i.e. metabolites) • Estimated that metabolomicexpts are 2x to 3x less expensive than proteomic & transcriptomicexpts (?)

  12. 代谢组学的特点 • 代谢组学是系统生物学重要组成部分。 • 细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的。 • 代谢物更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密切相关。

  13. 代谢组学的特点 • 基因组学和蛋白质组学能够说明可能发生的事件，而代谢组学则反映确实已经发生了的事情。 • 基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到放大,使检测更容易。

  14. 代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物（MW<1000）。代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物（MW<1000）。 • 其样品主要是体液以及细胞和组织的提取液。 • 主要技术手段是核磁共振（NMR），液-质联用（LC-MS），气-质联用（GC-MS），色谱（HPLC，GC）等。通过检测一系列样品的谱图，再结合化学模式识别方法，可以判断出生物体的病理生理状态，基因的功能，药物的毒性和药效等，并有可能找出与之相关的生物标志物（biomarker）。

  15. 代谢产物分析4个层次 • 代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。 • 代谢轮廓分析。对预设组分的分析。 • 代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。 • 代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。 真正意义的代谢组学研究。预处理和检测技术需满足高灵敏度、高选择性和高通量的要求。需要对获得的数据进行解析。

  16. 代谢组学的研究方法

  17. 代谢组学研究流程 代谢组指一个细胞、组织或器官中所有代谢组分的集合，尤其指分子质量为1,000以下的小分子物质。

  18. 代谢组学的研究流程

  19. 代谢组学常用的分析手段 • 核磁共振技术（NMR），能够对样品实现非破坏性、非选择性分析。它是唯一既能定性, 又能在微摩尔范围定量有机化合物的技术。缺陷是灵敏度相对较低, 不适合分析低浓度代谢物。 • 色谱技术具有分离性能好、灵敏度高等特点，被广泛用于复杂体系中的成分分析。但在色谱峰识别和方法的重现性方面仍存在难以克服的问题。

  20. 代谢组学常用的分析手段 • 质谱(MS)或与色谱联用技术具有普适性、高灵敏度和特异性等特点，已经在代谢组学研究中成为首选技术。 • 更先进的检测方法是电喷雾四级杆飞行时间质谱（Q-TOF）技术，能够快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量。

  21. Use of NMR in metabolomics studies • Advantages: • Non-destructive, non-biased • Easily quantifiable • Requires little or no separation • Permits identification of novel compounds • Does not require chemical derivatization • Particularly amenable to cmpds less tractable to GC-MS or LC-MS (sugars, amines, volatile ketones, & relatively non-reactive compounds)

  22. 600 MHz 1H NMR spectrum of control rat urine J.K Nicholson, (2007) Nature Protocols

  23. 600 MHz 1H NMR spectrum of blood serum sample J.K Nicholson, (2007) Nature Protocols

  24. Other challenges when analyzing metabolomes • Metabolomes extend over 7 to 9 order of magnitudes in concentration (picomoles to millimoles) • Currently not possible to analyze all metabolites in a single analysis • Several analytical strategies (MS, NMR in combination with chromatographic separations, whole cell analysis) • Requires high throughput

  25. 数据分析 和其它组学研究一样，处理、分析和管理代谢组学海量数据需要专门的数学、统计和生物信息学工具。近年来, 一些分析仪器厂商和研究者们已开发出数十种代谢组学数据处理软件。也有人开发了适合多种仪器的代谢组学分析软件。

  26. Summary of different metabolomics-based strategy

  27. 代谢组学研究的主要应用领域

  28. 热点年份代谢组学的相关高频被引文章 ，这些文章影响着学术发展的潮流 代谢组学的发展与药物研究开发，被引28 次； 代谢组学在中医药复杂理论体系研究中的应用 ，被引27 次； 大鼠肝郁脾虚证的代谢组学研究 ，被引10 次。

  29. 医学领域 药效筛选 代谢组学有望彻底揭开中药的奥秘 中药药理、毒理 健康与疾病诊断

  30. 营养学领域 临床营养 膳食营养评价 猫的营养

  31. 疾病诊断 Biomarkers: • 心血管疾病-----血浆中的代谢物 • 糖尿病-------------尿液中的代谢物 • 肿瘤---------------组织液等体液中的代谢物 需要解决： 专一性 灵敏度

  32. 植物代谢组学 • 靶标分析：脂肪酸、类胡萝卜素、多糖等 • 代谢组学：营养缺乏条件下的代谢物变化 基因变化或者环境变化下的代谢物变化！

  33. 微生物代谢组学 • 药物评价 Identification of metabolic biomarkers that change as an indicator of the presence of disease or in response to drug-based intervention.

  34. 展望

  35. Homework • 代谢组学实验实例 提出一个具体科学或者应用问题 说明该问题的科学或者应用意义 说明实验目的 采用代谢组学方法的实验设计 实验结果 2000字左右

  36. 谢谢，欢迎交流！

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