代謝組入門(mén)一問(wèn)一答（一）

發(fā)稿時(shí)間：2020-03-23來(lái)源：天昊生物

Q1: 代謝物和代謝組學(xué)的概念是什么？

A:

 ?    代謝組學(xué)（Metabolomics or Metabonomics）：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)物總和，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，是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后新近發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，如果說(shuō)基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)告訴我們可能發(fā)生的事件，那么代謝組學(xué)則可以告訴我們實(shí)際發(fā)生的事件，因此代謝組學(xué)是基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組的終端體現(xiàn)，更能反映個(gè)體的病理生理狀態(tài)，因此對(duì)于疾病的診斷，疾病的分型，基因的功能，藥物的毒性和藥效等判斷提供直觀并且有效依據(jù)，目前代謝組學(xué)在生物學(xué)的所有領(lǐng)域，都扮演著重要的角色。隨著基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的發(fā)展，代謝組學(xué)聯(lián)合分析已經(jīng)成為研究趨勢(shì)，不僅從樣本中找出差異代謝物，更從基因?qū)用娼忉屃舜x物變化的內(nèi)在原因，反之基因?qū)用孀兓?，?dǎo)致的代謝物變化等。 

圖1  說(shuō)明從每項(xiàng)組學(xué)技術(shù)中獲得的信息，以及它們的整合對(duì)充分理解現(xiàn)象的重要性。

A multi-omic future for microbiome studies. Nature Microbiology. 2016.

圖2 代謝組學(xué)的應(yīng)用

Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018.

Q2: 代謝組學(xué)檢測(cè)的基本原理是什么？

A:

代謝組學(xué)檢測(cè)首先使用液相色譜或氣相色譜，在一定壓力下，代謝物由于分子量和電荷不同，從而在塔板柱中流動(dòng)的速度不同，從而將不同分子量的代謝物分離，而后串聯(lián)質(zhì)譜儀，根據(jù)分子的荷質(zhì)比不同從而在質(zhì)譜儀中的飛行偏轉(zhuǎn)角度不同，導(dǎo)致落點(diǎn)不同，根據(jù)不同的落點(diǎn)信息，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而確定代謝物的種類(lèi)。故而在代謝組學(xué)里面，數(shù)據(jù)庫(kù)是否完備就成為鑒定代謝物種類(lèi)的關(guān)鍵。通常做法是使用標(biāo)準(zhǔn)代謝物進(jìn)行液質(zhì)聯(lián)用，記錄其信息形成數(shù)據(jù)庫(kù)。然后待測(cè)樣本在進(jìn)行液質(zhì)聯(lián)用的時(shí)候就會(huì)形成屬于自己特有的峰形，與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)后就可以確定其種類(lèi)及相對(duì)含量。

圖3 代謝組學(xué)分析步驟。

Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018.

圖4 LC-MS概念。（A） LC分離之后是電離（通常是電噴霧）和MS檢測(cè)。探測(cè)器報(bào)告特定m/z的信號(hào)強(qiáng)度。（B）分辨率是指質(zhì)譜儀分辨類(lèi)似質(zhì)量的代謝物的能力。（C）色譜法是分離具有相同m/z、RT、保留時(shí)間的異構(gòu)體的關(guān)鍵。（D） MS/MS提供化合物中化學(xué)成分的信息，有助于代謝產(chǎn)物的鑒定。

Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018.

 Q3: 代謝組學(xué)主要檢測(cè)平臺(tái)有哪些，怎么選擇？

A:

綜上，三個(gè)檢測(cè)平臺(tái)之間具有互補(bǔ)性，需要根據(jù)自身需求（例如重點(diǎn)分析的代謝物成分和性質(zhì)）和樣本情況（什么物種，什么樣本）來(lái)選擇合適的檢測(cè)平臺(tái)。但是一般情況還是建議首選LC-MS平臺(tái)，這是因?yàn)長(zhǎng)C-MS平臺(tái)分離得到的代謝物范圍最廣、其檢測(cè)靈敏度最高；另外LC-MS平臺(tái)不需要衍生化處理，因此組間平行對(duì)比分析結(jié)果更好；最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是目前使用LC-MS平臺(tái)的研究人員和機(jī)構(gòu)相比其它兩個(gè)平臺(tái)更多。

 

Q4: 代謝組學(xué)主要研究方法有哪些？

A:

綜上，兩種研究方法具有強(qiáng)烈互補(bǔ)性，如果老師在實(shí)驗(yàn)前期沒(méi)有特別關(guān)注的代謝物建議優(yōu)先進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)，這樣可以檢測(cè)出所有組別樣本的代謝物（定性和相對(duì)定量），通過(guò)組間比較分析尋找出目標(biāo)差異代謝物；如果老師有感興趣的目標(biāo)代謝物可以做進(jìn)一步的靶向代謝組學(xué)檢測(cè)（定性和絕對(duì)定量），從而對(duì)特定的代謝物進(jìn)行有針對(duì)性的特異性檢測(cè)。

Q5: 代謝組數(shù)據(jù)分析大概套路是什么？

A:

1)       信息峰提取識(shí)別，描述檢測(cè)到的代謝物種類(lèi)；

2)       PCA分析代謝物在組內(nèi)的重復(fù)性和組間的差異性；

3)       篩選組間差異代謝物；

4)       分析差異代謝物所分布的信號(hào)通路；

5)       基于差異代謝物的疾病診斷模型構(gòu)建；

6)       多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析等

圖5 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)集的可視化。（A） 代謝產(chǎn)物濃度變化的熱圖。（B） 主成分分析。（C） 顯示特定代謝物天冬氨酸數(shù)據(jù)的條形圖。（D） 使用分析軟件識(shí)別受影響的代謝途徑。（E）特定代謝途徑圖，每個(gè)矩形都是一種代謝物。

 

Q6: 代謝組要求每組多少個(gè)生物學(xué)重復(fù)？

A:

如果是臨床樣品每組建議是50-60個(gè)具有代表性的生物學(xué)重復(fù)，最少30個(gè)生物學(xué)重復(fù)；動(dòng)物和植物樣本每組建議10個(gè)具有代表性的生物學(xué)重復(fù)，最少6個(gè)生物學(xué)重復(fù)；細(xì)胞/微生物樣本每組建議10個(gè)具有代表性的生物學(xué)重復(fù)，最少6個(gè)生物學(xué)重復(fù)，這些和微生物多樣性測(cè)序的每組生物學(xué)重復(fù)數(shù)要求是一致的，方便后期的微生物組+代謝組的聯(lián)合分析。

 

Q7: 代謝組可以檢測(cè)哪些樣本？

A:

代謝組常見(jiàn)的檢測(cè)樣本包括血清、血漿、糞便/腸道內(nèi)容物、尿液、唾液/痰液、膽汁、動(dòng)物及臨床組織、細(xì)胞、微生物/菌體、植物樣本（根、莖、葉、花、果實(shí)）、土壤、淤泥、水體等。

Q8: 代謝組樣本取樣有什么注意問(wèn)題？

A:

一般建議采取新鮮樣品，采樣后務(wù)必立即冷凍保存（可以置于液氮、干冰或者-80°C冰箱中），送樣時(shí)使用干冰運(yùn)輸，盡可能地保持樣品中樣本中的代謝物最原始狀態(tài)，防止取樣后的其進(jìn)一步的代謝反應(yīng)；同時(shí)提醒老師取樣時(shí)需要多備份，充分考慮其它實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行，例如微生物擴(kuò)增子測(cè)序或宏基因組測(cè)序，宿主轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等。

 

 

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