代谢组学学习教案

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1、会计学1代谢代谢(dixi)组学组学第一页，共36页。第1页/共35页第二页，共36页。Metabolism is the sum of the chemical reactions in cells that produce life-sustaining chemical energy and metabolites. In the post-genome era, metabolism has taken on new significance for biological scientists: metabolites are the chemical basis of phenoty

2、pes that are final expressions of genomic information. This book covers research on metabolomics, ranging from the development of specialized chemical analytical techniques to the construction of databases and methods for metabolic simulation. The authors have been directly involved in the developme

3、nt of all the subject areas, including capillary electrophoresis, liquid chromatography, mass spectrometry, metabolic databases, and metabolic simulation. Breakthrough achievements and the future of metabolome studies are described, making this book a valuable source for researchers in metabolomics

4、in diverse fields, such as plant, animal, cellular, microbial, pharmaceutical, medical, and genetic sciences.第2页/共35页第三页，共36页。代谢代谢(dixi)组学的定义组学的定义代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中所有代谢组分的集合,尤其指小分子物质”,而代谢组学则是一门(y mn)“在新陈代谢的动态过程中,系统研究代谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代谢本质”的科学。第3页/共35页第四页，共36页。测定(cdng)生物体液(尿、血) 和组织提取液中的内源性代谢产物, 其研究对象

5、大都是相对分子质量1 000 以内的小分子物质。通过模式识别分析确定动物在各种状态下的代谢表型,以代谢表型与数据库比较分析确定化学物作用的靶器官、发病机制及生物标志物。代谢组学的研究代谢组学的研究(ynji)对象对象第4页/共35页第五页，共36页。代谢(dixi)物靶标分析(Metabolite target analysis) : 某个或某几个特定组分的分析;代谢(dixi)轮廓分析(Metabolic profiling) :少数预设的一些代谢(dixi)产物的定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物(氨基酸、有机酸、顺二醇类) 或某一代谢(dixi)途径的所有中间产物或多条代谢(dix

6、i)途径的标志性组分;代谢(dixi)组学(Metabolomics) : 限定条件下的特定生物样品中所有代谢(dixi)组分的定性和定量;代谢(dixi)物指纹分析(Metabolicfingerprinting) :不分离鉴定具体单一组分,而是对样品进行快速分类(如表型的快速鉴定) 。代谢代谢(dixi)组学的分类组学的分类*Fiehn O. Combining genomics , metabolome analysis , and biochemical modelling to understand metabolic networks. Comparative and Functi

7、onal Genomics , 2001 , 2 :155 - 168第5页/共35页第六页，共36页。metabolomics和metabonomics*metabolomics 是通过考察生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 代谢产物的变化或其随时间的变化, 来研究生物体系的代谢途径的一种技术。*metabonomics 是生物体对病理(bngl)生理刺激或基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化的研究。*前者一般以细胞做研究对象,后者则更注重动物的体液和组织。第6页/共35页第七页，共36页。*Oliver S. Yeast as a navigational a

8、id in genome analysis. Microbiology , 1997 , 143 : 1483#Nicholson JK, Bollard ME , Lindon JC et al . Metabonomics : a platformfor studying drug toxicity and gene function. Nat Rev Drug Discov , 2002 , 1 :153 - 162metabolomics和metabonomics第7页/共35页第八页，共36页。代谢组学与其他组学的联系(linx)及比较基因组的变化不一定能够得到表达,从而并不对系统产

9、生影响。某些蛋白的浓度(nngd) 会由于外部条件的变化而升高,但由于这个蛋白可能不具备活性,从而也不对系统产生影响。同时,由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿,最后反应的净结果为零。而小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终结果,它能够更准确地反映生物体系的状态。Henry CM. Newomein town. Chem Eng News , 2002 , 80 (48) :66 - 70第8页/共35页第九页，共36页。代谢组学与其他(qt)组学的联系及比较基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得到放大,从而(cng r)使检测更容易;

10、代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签( EST) 的数据库;代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。每个生物体(organism)中代谢产物大约在103 数量级,而最小的细菌,其基因组中也有几千个基因;因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的,所以代谢组学研究中采用的技术更通用。第9页/共35页第十页，共36页。代谢(dixi)组学分析流程图第10页/共35页第十一页，共36页。样品样品(yngpn)制备制备样品的制备包括样品的提取、预处理和化合物的样品的制备包括样品的提取、预处理和化合物的分离。代谢物通常分离。代谢物通常(tngchng)用水或有机溶剂用水或有机溶剂（甲醇、己烷等

11、（甲醇、己烷等) 分提取分提取,以分别获得水提取物和以分别获得水提取物和有机溶剂提取物有机溶剂提取物,而把非极性的亲脂相和极性相而把非极性的亲脂相和极性相分开分开,以便分别进行分析。分析之前以便分别进行分析。分析之前,常先用固相常先用固相微萃取、固相萃取、亲和色谱等预处理微萃取、固相萃取、亲和色谱等预处理;用气相用气相色谱、液相色谱、毛细管电泳等进行化合物的分色谱、液相色谱、毛细管电泳等进行化合物的分离。离。第11页/共35页第十二页，共36页。样品的检测：数据样品的检测：数据(shj)采集采集在完成对样品的预处理后,样品中的所有代谢产物需要通过合适的方法进行测定。与原有的各种组学技术只分析(

12、fnx)特定类型的化合物不同,代谢组学所分析(fnx)的对象的大小、数量、官能团、挥发性、带电性、电迁移率、极性以及其他物理化学参数差异很大,要对它们进行无偏向的全面分析(fnx),单一的分离分析(fnx)手段难以胜任。第12页/共35页第十三页，共36页。色谱、质谱、磁共振、红外光谱、库仑分析、紫外吸收、荧光散射、放射性检测、光散射等分离分析手段及其组合都出现在代谢组学的研究中。其中,磁共振技术特别(tbi)是氢谱以其对含氢代谢产物的普适性,色谱以其高分离度、高通量,质谱以其普适性、高灵敏性和特异性而成为最主要的分析工具。样品样品(yngpn)的检测：数据采集的检测：数据采集第13页/共35

13、页第十四页，共36页。代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法(fngf)：磁共振技术：磁共振技术磁共振技术(jsh)是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术(jsh),生命科学领域中常用的是氢谱、碳谱及磷谱3 种,可用于体液或组织提取液和活体分析两大类。常用的是体液分析研究。第14页/共35页第十五页，共36页。代谢组学的研究代谢组学的研究(ynji)方法：磁共振技术方法：磁共振技术以氢谱为例,将准备好的生物标本(包括各种体液或组织提取液) ,直接上样测试即可。所得的氢谱谱峰与样品中各化合物的氢原子对应,根据(gnj)一定的规则或与标准氢谱比照可直接鉴定出代谢物的化学成分

14、,信号的相对强弱则反映了各成分的相对含量,不同样品的代谢图谱有其特质性,类似样品的“指纹”一样;对这种特质性进行区分、鉴定。第15页/共35页第十六页，共36页。代谢代谢(dixi)组学的研究方法：磁共振技术组学的研究方法：磁共振技术磁共振虽然可对化学组成知之甚少的复杂样品如尿液、血液等进行非破坏性分析,但由于其对每个分子的化学和物理环境敏感,因此样品制备的要求很高。同时,磁共振的动态(dngti)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,所需硬件的投资也较大。第16页/共35页第十七页，共36页。代谢代谢(dixi)组学的研究方法：质谱技术组学的研究方法：质谱技术质谱技术

15、(jsh)是将预处理的体液或组织(根据实验需要,可将组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处理) ,加至质谱仪,经历汽化、离子化、加速分离及检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的相对分子质量,进一步的检测分析可以部分鉴定出化学成分以及半定量关系。不同组别的质谱图存在差异(“代谢指纹”分析) ,加以区别、鉴定,有助于研究代谢的变化规律及标志性代谢产物。第17页/共35页第十八页，共36页。数据的分析数据的分析(fnx)及解释及解释代谢组学研究的后期(huq)需借助于生物信息学平台进行数据的分析和解释。它往往借助于一定的软件,联合多种数据分析技术,将多维、分散的数

16、据进行总结、分类及判别分析,发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与机体代谢的关系。第18页/共35页第十九页，共36页。数据的分析数据的分析(fnx)及解释：及解释：PCA主成分分析(principal component analysis , PCA) 法：将分散在一组变量上的信息集中到某几个综合指标即主成分上,利用(lyng)这些主成分来描述机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的作用,避免淹没于大量数据中。主成分是由原始变量按一定的权重经线性组合而成的新变量,主成分图能够直观地描述药物作用到器官之后或者基因改变之后生物体内的代谢模式的变化。*刘昌孝. 代谢组学的发展

17、与药物(yow)研究开发J . 天津药学，2005，17（2）：126.第19页/共35页第二十页，共36页。每一个样本在主成分图上的位置纯粹由它的代谢反应所决定。在这种比较简单的方法(fngf)中,将从受试者得到的样本与磁共振产生的代谢组数据库进行比较,就可以确定它在主成分图上的位置,从而确定其机制,并有可能找到生物标志物。数据的分析数据的分析(fnx)及解释：及解释：PCA第20页/共35页第二十一页，共36页。数据数据(shj)的分析及解释：稳健的分析及解释：稳健PCAPCA 对数据中的离群样本点较为敏感,当数据中有离群样本点存在时进行(jnxng)数据降维分析,得到的结果是不可信的。稳

18、健PCA 法的目的是找到不受离群样本点影响的主成分,从而对离群样本点存在的数据进行(jnxng)分析时,也能得到准确的结果。*李晶,吴小建,刘昌孝,等. 代谢组学研究(ynji)中数据处理新方法的应用. 药学学报,2006 ,41(1) :47253.第21页/共35页第二十二页，共36页。数据的分析数据的分析(fnx)及解释：稳健及解释：稳健PCA稳健(wn jin)PCA 法有寻踪投影法和最小方差决定法。目前稳健(wn jin)PCA 是一种新发展起来的结合以上两种算法的稳健(wn jin)PCA 法,在进行PCA 的同时,还可以作出离群样本点诊断图。这种诊断图若应用于代谢组学的数据分析中

19、,可以从生物信息学的角度提示哪些样本为潜在的离群样本点,以便进行更深入地分析和判断;若诊断的结果经分析得到验证,排除离群样本点后对数据进行分析会更好地反映数据中蕴含的生物学意义。第22页/共35页第二十三页，共36页。代谢组学在生理代谢组学在生理(shngl)病理中的应用病理中的应用生命是一个完整的系统,在复杂的生物体中,生物分子组织和调控水平是相互关联、互相依赖的,并受环境等因素的影响;身体各个部位的变化都可以引起生命活动的变化,这些变化则可以引起生物体代谢物的变化。因此,代谢组学通过分析生物体液和组织的代谢组分,研究决定生化类型体系和整个生物体功能调控特点。在生物体的代谢过程中,代谢物是机

20、体代谢的终点,通过磁共振方法检测代谢物或标记物的化学成分,使用各种化学计量学和生物信息学工具测量研究代谢物,可以得到生物体的一些生理(shngl)病理的资料,提供有价值的诊断和预测,指导临床的病理生理(shngl)研究。第23页/共35页第二十四页，共36页。代谢代谢(dixi)组学在疾病诊断中的应用组学在疾病诊断中的应用由于机体的病理变化,代谢产物也产生了某种相应的变化。这些由疾病引起的代谢产物的响应进行分析(fnx),即代谢组学分析(fnx),能够更好的帮助理解病变过程及机体内物质的代谢途径,有助于疾病的生物标记物的发现和辅助临床诊断的目的。第24页/共35页第二十五页，共36页。代谢组学

21、在新药的毒理研究及安全性评价代谢组学在新药的毒理研究及安全性评价(pngji)中的应用中的应用运用代谢组学分析手段定量检测生物样本中的小分子代谢物,比较正常样本与毒性(d xn)作用时样本多参数代谢物水平的动态变化,使用多元系统分析或智能算法发现一个或一组毒性(d xn)作用的分子标记物,从而可进行毒理作用机制研究或评价化合物安全性。第25页/共35页第二十六页，共36页。代谢组学在新药的毒理研究及安全性评价代谢组学在新药的毒理研究及安全性评价(pngji)中的应用中的应用代谢组学研究大大缩短了新药安全性研究的周期,它能够快速、有效地分析多条代谢通路,帮助(bngzh)定位靶组织及判定毒副作用

22、程度,寻找相应的生物学标志。第26页/共35页第二十七页，共36页。代谢代谢(dixi)组学在中医现代化中的研究组学在中医现代化中的研究*代谢(dixi)组学与中医辨证论治的结合*用代谢(dixi)组学研究中药方剂的整体疗效第27页/共35页第二十八页，共36页。前景前景(qinjng)展望展望将中医药真正推向西方(xfng)主流社会,其根本在于用现代语言阐释中医独特的传统思维方式和治疗方法,而用现代语言阐释这些中医思想和方法不能离开当今的现代生物技术。近年来系统生物学及相关技术的快速发展,为从多学科、多视角认识中医药疗效机制提供了重要的方法学基础和技术条件。第28页/共35页第二十九页，共3

23、6页。前景前景(qinjng)展望展望如果能用整体性思路的代谢组学技术与中医的整体观念、辨证论治、治未病和藏象理论等方面相近属性进行有效组合,一定能进一步加快中医药学研究的现代化进程。中医药与以代谢组学为核心(hxn)的系统生物学的结合,将是一个极富创造性、并可能是引领中医药现代化的重要之举。第29页/共35页第三十页，共36页。代谢组学：代谢组学： 中医中医(zhngy)走向世界的天梯走向世界的天梯*上海交通午大学与Waters决定成立国际一流的代谢组学联合(linh)实验室。*代谢组学创始人：英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授。Nicholson教授：就像其他发展很快的学

24、科一样，代谢组学发展也很快，在技术层面， 研究的设备发展很快主要是检测的灵敏度取得了新的突破。尤其值得一提的是Waters的UPLC系统，从一个美好的愿望变成了现实，这种新仪器变成现实，给很多代谢组学分析实验室提供了重要的研究工具，尤其是给新建立的实验室提供新的发现与疾病诊断相关(xinggun) 的生物标志物提供了机会。第30页/共35页第三十一页，共36页。Nicholson教授：最近帝国理工大学和Waters公司合作发展了一种新的以统计为基础的诊断方法。这种方法是将核磁共振和质谱技术的优势(yush)作了一个结合。我们和Waters公司合作在美国化学学会的分析化学发表了第一篇将核磁共振和

25、质谱技术优势(yush)结合的文章，在网络中是浏览量最高的文章这种新方法的优势(yush)结合给我们提供研究更复杂疾病的新机会和新工具。代谢代谢(dixi)组学：组学： 中医走向世界的天梯中医走向世界的天梯第31页/共35页第三十二页，共36页。代谢组学：代谢组学： 中医中医(zhngy)走向世界的天梯走向世界的天梯Nicholson教授：基于单个靶点的西方药物(yow)研发已经进入一个研发费用急剧增长、有效药物(yow)却大幅减少的死胡同，所研发的药物(yow)每年只有10 能进入市场。并且，这种商业性的一次性大量投入，研发一种药物(yow)，供所有人使用的模式已经过时。针对每个人的个性化用

26、药、个性化预防亟待发展。代谢组学与有着(yu zhe)几千年历史的中医学在许多方面有相近的属性，事实上，用代谢组学的方法来对比分析服用中药、采用中医疗法前后人的体液所存在的不同，证实中国传统中医中药的疗效，已成为系统生物学研究中医药的重要手段，并有可能成为中国传统医学走向国际化的通用语言。第32页/共35页第三十三页，共36页。代谢代谢(dixi)组学：组学： 中医走向世界的天梯中医走向世界的天梯人体应该(ynggi)作为一个完整的系统来研究，应用代谢组学来理解疾病过程，与中医的整体观和辨证论治思维方式不谋而合。代谢组学和中医中药的哲学观相吻合，代谢组学是研究中药最好的选择。它们的有机结合将可

27、能有力地推动中医药理论的现代化进程。研究中药这种复杂混合物的毒性，代谢组学是最好的方法，选择不同产地、不同数量、不同组分的中药，做出代谢组图，根据组成变化与毒性、药效相对应，就可把有效的成分最大化，把有毒的东西剔除。同样，代谢组学也是中药质量控制的主要研究手段(shudun) ，有利于中药的出口和国际化。第33页/共35页第三十四页，共36页。代谢组学：代谢组学： 中医中医(zhngy)走向世界的天梯走向世界的天梯Nicholson教授：中国进入这个领域比较早，国家非常重视，投入在增加，很多科学家在加入到这个研究领域中来。更重要的是代谢组学在中国传统的中药的独特研究优势(yush)，可以说代谢组学在中国大有可为，中国应该成为这个领域的佼佼者。第34页/共35页第三十五页，共36页。内容(nirng)总结会计学。*metabolomics 是通过考察生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 代谢产物的变化或其随时间的变化, 来研究生物体系的代谢途径的一种技术。某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高,但由于这个蛋白可能不具备活性,从而也不对系统产生影响。同时,由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿,最后(zuhu)反应的净结果为零第三十六页，共36页。