2023-07-05
一、什么是代謝組學？
代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)是(shi)(shi)指某一生(sheng)物或細胞、組(zu)織在特定(ding)(ding)生(sheng)理時期(qi)內(nei)的所(suo)有(you)小分子代(dai)(dai)謝(xie)(xie)物（一般<1200 Da）集(ji)合稱為代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)；代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學則(ze)是(shi)(shi)對代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)進(jin)行定(ding)(ding)性和定(ding)(ding)量分析，并研究該代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)在干預(yu)或疾(ji)病(bing)生(sheng)理條件下動態變化規(gui)律(lv)。 表1 常見代謝物種類及主要功能
二、為什么要做代謝組學？ 基因組(zu)學會(hui)告訴(su)你(ni)(ni)可能(neng)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了什(shen)(shen)么(me)(me)；轉錄組(zu)學告訴(su)你(ni)(ni)即將要發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)什(shen)(shen)么(me)(me)；蛋(dan)(dan)白組(zu)學指出什(shen)(shen)么(me)(me)東西致使(shi)它發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)；只有(you)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學會(hui)告訴(su)你(ni)(ni)已經發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了什(shen)(shen)么(me)(me)或正在發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)什(shen)(shen)么(me)(me)，它是連(lian)接微觀和(he)宏觀的橋梁(liang)，代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)水平(ping)的改變能(neng)夠(gou)導致宏觀表(biao)型(xing)的改變。作為中心法則最下游(you)，代(dai)(dai)謝(xie)(xie)組(zu)能(neng)夠(gou)將基因組(zu)和(he)蛋(dan)(dan)白組(zu)結(jie)果(guo)放大。基因和(he)蛋(dan)(dan)白的微小改變會(hui)引起代(dai)(dai)謝(xie)(xie)物(wu)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)物(wu)水平(ping)的改變，容易被檢測(ce)，還能(neng)夠(gou)與生(sheng)(sheng)物(wu)體部分表(biao)型(xing)建立相關性。此外，各物(wu)種(zhong)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)物(wu)數量(liang)遠小于基因和(he)蛋(dan)(dan)白質(zhi)，結(jie)構也更加簡單，常見(jian)的代(dai)(dai)謝(xie)(xie)物(wu)在不同生(sheng)(sheng)物(wu)中相似度(du)較高，更具有(you)普適性。 圖 1 各組學關系
三、代謝組學做什么？ 從(cong)實(shi)驗(yan)目的(de)出(chu)發(fa)(fa)，代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)分為非(fei)靶(ba)(ba)向(xiang)(xiang)代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)和靶(ba)(ba)向(xiang)(xiang)代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)。從(cong)名字可以看出(chu)，非(fei)靶(ba)(ba)向(xiang)(xiang)代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)是廣泛的(de)、無(wu)偏向(xiang)(xiang)性(xing)的(de)檢(jian)測樣本中(zhong)的(de)代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)(wu)，通(tong)過篩選差異代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)(wu)及(ji)其(qi)通(tong)路(lu)的(de)分析(xi)能夠(gou)探究(jiu)其(qi)發(fa)(fa)揮的(de)生物(wu)(wu)學(xue)(xue)作用，以發(fa)(fa)現潛在的(de)生物(wu)(wu)標(biao)志物(wu)(wu)，進而(er)研究(jiu)機理、藥(yao)物(wu)(wu)治療及(ji)疾(ji)病預測等，通(tong)量(liang)高(gao)，覆(fu)蓋度(du)廣，但依(yi)賴數據(ju)庫，數據(ju)處理麻煩，靈敏度(du)有(you)限(xian)，部分低(di)豐度(du)物(wu)(wu)質無(wu)法被檢(jian)測到(dao)。靶(ba)(ba)向(xiang)(xiang)代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)則(ze)需(xu)要依(yi)賴標(biao)準(zhun)(zhun)品(pin)作為參照(zhao)，對(dui)(dui)某(mou)些或某(mou)類特定的(de)代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)(wu)進行有(you)針對(dui)(dui)性(xing)的(de)、特異性(xing)的(de)絕對(dui)(dui)定量(liang)檢(jian)測，靈敏度(du)高(gao)，定量(liang)準(zhun)(zhun)確，檢(jian)測下(xia)限(xian)比較低(di)，但依(yi)賴標(biao)準(zhun)(zhun)品(pin)，代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)(wu)覆(fu)蓋有(you)限(xian)。表中(zhong)列出(chu)了常見的(de)代(dai)謝(xie)(xie)組(zu)學(xue)(xue)檢(jian)測內(nei)容。 表2 代謝組學檢測內容
四、代謝組學怎么做？ 非(fei)(fei)靶代謝組學的(de)檢測方(fang)法(fa)主(zhu)要是核磁共振法(fa)（NMR）、液(ye)相色譜(pu)(pu)串(chuan)聯質譜(pu)(pu)法(fa)（LC-MS）和氣相色譜(pu)(pu)串(chuan)聯質譜(pu)(pu)法(fa)（GC-MS）。各方(fang)法(fa)優(you)缺(que)點如下表所(suo)示。近年來(lai)，高(gao)分辨質譜(pu)(pu)的(de)快速(su)發展能(neng)夠很好彌補NMR的(de)短(duan)板，質譜(pu)(pu)法(fa)也因此(ci)成為(wei)非(fei)(fei)靶代謝組學最(zui)常用的(de)方(fang)法(fa)。 表3 NMR、LC-MS、GC-MS優缺點 靶向代謝(xie)組(zu)學(xue)則主要使用(yong)串聯質(zhi)(zhi)譜法，相比于(yu)非靶代謝(xie)組(zu)所使用(yong)的(de)高分(fen)(fen)辨(bian)(bian)靜電(dian)場軌(gui)道阱(jing)（Orbitrap）和(he)飛(fei)行時(shi)間(jian)（Time of Flight）質(zhi)(zhi)譜儀，靶向代謝(xie)組(zu)學(xue)大多使用(yong)的(de)低(di)(di)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)四級桿（Quadrupole）、線性離子阱(jing)（Linear Ion Trap）質(zhi)(zhi)譜儀的(de)質(zhi)(zhi)譜靈敏(min)度更高，掃描速度更快(kuai)，檢測(ce)線更低(di)(di)，定量更準確。 在(zai)質(zhi)譜法中，由于液相色(se)譜（LC）和(he)氣相色(se)譜（GC）分離(li)原理不同(tong)，使用(yong)LC-MS和(he)GC-MS檢測的(de)代謝(xie)物(wu)也不同(tong)。LC-MS適用(yong)極(ji)性(xing)大、沸(fei)點高、難揮發(fa)的(de)物(wu)質(zhi)，GC-MS適用(yong)非極(ji)性(xing)或(huo)弱極(ji)性(xing)、易揮發(fa)的(de)物(wu)質(zhi)。在(zai)動物(wu)的(de)內源性(xing)代謝(xie)物(wu)中，難揮發(fa)物(wu)質(zhi)居多，因(yin)此LC-MS應用(yong)更(geng)為廣泛。 要開展代謝組(zu)學研究，一般(ban)要經過下面(mian)幾個流程。首先根據實驗設計準備好樣品，然后使用適(shi)當方法進行代謝物提取，提取后的樣品上機檢測(ce)得(de)到質譜圖(tu)。最后通過數(shu)據處理(li)得(de)到結果，最終深入分析和多角度挖掘有價值的生物信息(xi)。 圖 3 代謝組學研究流程
五、代謝物如何進行定性定量？ （一(yi)）非(fei)靶向(xiang)代謝(xie)組學(xue) 非(fei)靶向(xiang)代謝組學常用的質譜(pu)掃(sao)描模式是高分(fen)辨質譜(pu)的數據(ju)依賴(lai)性采(cai)集（DDA/IDA），它(ta)的一個掃(sao)描周期包括一張一級母離子(zi)Full MS和若干(gan)張二(er)級碎(sui)(sui)片離子(zi)的MS2。四(si)級桿(gan)篩選Full MS中信號響應前N的母離子(zi)送(song)到碰撞池做二(er)級碎(sui)(sui)裂(lie)，然后采(cai)集碎(sui)(sui)片離子(zi)信息(xi)。搜庫軟件會對一級掃(sao)描的各母離子(zi)進行(xing)積分(fen)，得到其峰面積作(zuo)為(wei)定量結果，然后再根據(ju)其MS2碎(sui)(sui)片離子(zi)信息(xi)與數據(ju)庫進行(xing)匹(pi)配，最(zui)終確定該化合物是什(shen)么物質。 圖 4 非靶定性定量原理 常用的搜庫軟件有Compoud Discover、Lipidserach、MS-DIAL、XCMS等。常用的代謝組學數據庫有HMDB、KEGG、Metlin、mzCloud、massbank、LipidMaps等公共數據庫及各實驗室自建(jian)數據庫。 （二）靶向(xiang)代謝組學 靶(ba)(ba)(ba)向(xiang)代謝組學(xue)常用的(de)(de)掃描(miao)模(mo)(mo)式(shi)是(shi)三重(zhong)四級桿質(zhi)譜的(de)(de)單反應(ying)監(jian)測（SRM）和(he)多(duo)反應(ying)監(jian)測（MRM）。SRM模(mo)(mo)式(shi)針(zhen)對某(mou)個(ge)特(te)定(ding)的(de)(de)母離(li)子(zi)(zi)及(ji)其一(yi)個(ge)指定(ding)的(de)(de)子(zi)(zi)離(li)子(zi)(zi)，Q1篩選出(chu)特(te)定(ding)m/z的(de)(de)母離(li)子(zi)(zi)，Q2將(jiang)其打碎，Q3掃描(miao)設定(ding)m/z的(de)(de)子(zi)(zi)離(li)子(zi)(zi)。離(li)子(zi)(zi)經過(guo)Q1和(he)Q3的(de)(de)雙重(zhong)選擇后(hou)由檢測器采集(ji)特(te)定(ding)離(li)子(zi)(zi)對的(de)(de)信號。MRM模(mo)(mo)式(shi)相(xiang)當于同時(shi)進行多(duo)個(ge)SRM掃描(miao)，可(ke)以(yi)同時(shi)檢測多(duo)個(ge)離(li)子(zi)(zi)對，因此成為靶(ba)(ba)(ba)向(xiang)代謝組學(xue)最常用的(de)(de)掃描(miao)模(mo)(mo)式(shi)。靶(ba)(ba)(ba)向(xiang)代謝組學(xue)（除(chu)廣靶(ba)(ba)(ba)外(wai)）會用到已知化合(he)物的(de)(de)標準(zhun)品做參照(zhao)，分子(zi)(zi)量和(he)結(jie)構明確，無需進行定(ding)性。靶(ba)(ba)(ba)向(xiang)定(ding)量是(shi)將(jiang)標準(zhun)品稀釋到不同濃(nong)度后(hou)跟樣(yang)品一(yi)起上機檢測，將(jiang)采集(ji)到的(de)(de)各標準(zhun)品峰面積(ji)與進樣(yang)濃(nong)度做標準(zhun)曲(qu)(qu)線，利用標準(zhun)曲(qu)(qu)線和(he)樣(yang)品中各化合(he)物峰的(de)(de)峰面積(ji)計算得(de)到準(zhun)確濃(nong)度。 圖 5 靶向定量原理
