代谢组学技术及其在临床研究中的应用

在后基因组时代, 系统生物学研究成为人们关注的焦点。转录组学、蛋白质组学等功能基因组学研究方法可同时检测药物或其他因素影响下大量基因或蛋白质的表达变化情况, 但这些变化不能与生物学功能的变化建立直接联系。代谢组学方法则可为代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性。代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量, 进行全面代谢物分析需要分析化学技术的支撑, 核磁共振和基于质谱的分析技术是代谢组学研究的两种主要技术手段。代谢组学研究可产生大量数据信息, 对这些数据进行分析离不开化学统计学的应用, 比如主成分分析、多维缩放、各种聚类分析技术以及功能差异分析等。文章综述了近年来代谢组学分析技术及数据分析技术的研究进展, 在此基础上, 对代谢组学在临床研究及临床前研究中的应用研究进展进行了综述。对疾病代谢表型图谱的研究有助于人们了解疾病发生、发展以及致死的机制; 在临床条件下, 这些代谢图谱可以作为疾病诊断、预后以及治疗的评判标准。代谢物组成的变化是毒物胁迫对机体造成的最终影响, 利用代谢组技术可以直接反映毒物对机体的影响。质谱技术、核磁共振技术的应用使得药物筛选过程可以快速完成, 并有助于实现个性化用药。此外, 利用代谢组学技术还可以进行已知酶的新活性研究, 也可以研究未知酶。     

气相色谱-质谱联用技术及其在代谢组学中的应用

代谢组学是以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段,对细胞、体液、组织中所有代谢物进行无偏向的定性与定量分析的一门学科。气相色谱-质谱联用技术具有较高的检测灵敏度和鉴定准确度,通过标准谱图库的比对可对代谢物进行快速的鉴定,因此被广泛应用于生物样品的代谢产物的检测中。文中对近年来气相色谱-质谱联用技术的发展以及在代谢组学研究中取得的成果进行了综述。首先介绍了气相色谱-质谱联用技术的分类和常用的样品衍生化方法;继而从样品预处理、定性与定量分析、数据分析三方面介绍了气相色谱-质谱联用技术分析代谢物的方法,并系统地对该技术在微生物、植物、疾病诊断领域的应用实例进行了评述;最后提出了当前气相色谱-质谱联用技术在代谢组学研究中存在的问题并对后续的研究进行了展望。     

生态代谢组学研究进展

代谢组学指某一生物系统中产生的或已存在的代谢物组的研究,以质谱和核磁共振技术为分析平台,以信息建模与系统整合为目标。随着代谢组学中的研究方法与技术成为生态学研究的有力工具,生态代谢组学概念应运而生,即研究某一个生物体对环境变化的代谢物组水平的响应。理清代谢组学与生态代谢组学学科发展的脉络,综述代谢组学研究中的常用技术及其优势与局限性,论述代谢组学技术在生态学研究中的应用现状,展望代谢组学技术与其他系统生物学组学技术的结合在生态学中的应用前景,提出生态代谢组学研究者未来要完成的任务和面对的挑战。     

空间分辨代谢组学进展和挑战

空间分辨代谢组学即整合质谱成像和代谢组学技术,对动/植物组织和细胞中内/外源性代谢物的种类、含量和差异性空间分布进行精准测定。质谱成像技术因其具有无标记、非特异、高灵敏度、高化学覆盖、元素/分子同时检测等优势,被广泛应用于动/植物组织中各类代谢物、多肽和蛋白的时空分布研究。首先介绍了代谢组学和质谱成像技术的研究现状,然后重点综述了空间分辨代谢组学在动物组织、植物组织和单细胞水平上的前沿应用。最后展望了空间分辨代谢组学技术的现有瓶颈和未来发展方向。空间分辨代谢组学是继代谢组学之后又一门新兴的分子成像组学技术,能够无标记、可视化检测动物组织中外源性药物的吸收、分布、代谢和排泄,以及植物组织中多种代谢产物的生物合成、转运途径和积累规律。该技术将推动靶向药物发现、病理机制解析和动植物生长发育密切关联的空间代谢网络调控等前沿应用研究。     

基于质谱信号的代谢物鉴定:生物信息学的机遇与挑战

液相色谱-质谱联用是目前代谢组学研究中广泛采用的分析技术。随着海量质谱数据的产生,解析质谱信号所对应的代谢物分子显得越来越重要。由于代谢物中分子成分复杂多变,其质谱信号具有特定的数据分布特点。因此,开发适应这一特点的分析软件,扩展通用标准谱图库和代谢物数据库,增加代谢物的鉴定率是当前代谢组学研究的关键任务。本文主要介绍近年来基于质谱信号的代谢物鉴定研究领域的基本思路和最新进展。     

细胞代谢组学样品前处理研究进展

细胞代谢组学是系统生物学的重要组成部分,是对生物系统进行整体和动态的认识的科学,主要进行小分子代谢物定性和定量分析研究,观察代谢物的浓度变化,从而在细胞水平上考察代谢机制。细胞代谢组学的工作流程包括:实验设计、样品采集、样品处理、代谢物分析和数据处理。其中,样品前处理方法不尽相同,而设计一个合理方便的样品前处理方法对后期开展代谢组学至关重要。现简要综述现阶段对细胞代谢组学样品前处理的研究成果和常用方法。     

基于连锁与关联分析的植物代谢组学研究进展

代谢物作为生物体表型的基础能够帮助我们更直观有效地了解生物学过程及其机理。植物代谢组研究对理解植物代谢途径,改善植物对环境胁迫的应答,提高作物产量与品质有着非常重要的作用。代谢物的种类和数量在不同品种与组织中存在很大差异,利用这些差异进行遗传基础的解析将有助于我们深入了解代谢生物学过程。随着代谢组学分析技术和方法的发展与第二代测序技术的应用,植物代谢组学的研究内容不断地扩增,代谢遗传机制的研究不断深入。概述了植物代谢组学的研究内容、基因型分型、植物代谢组遗传连锁分析与植物代谢组全基因组关联分析及其应用。     

植物代谢组学中几种重要的次生代谢物液质分析技术研究进展

代谢组学（metabolomics）主要是研究生物体、组织、细胞的代谢物组分及检测其动态变化过程,是继基因组和蛋白组学后新兴的一门组学技术。代谢物是细胞调节过程中的最终产物,其水平被视为生物系统对遗传或环境变化的最终反映。通过合适的分析平台,准确定性、定量在复杂的生物中具有化学多样性的次生代谢物是代谢组学的一项重要工作。液相色谱-串联质谱技术（liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS）是代谢物质检测平台最常用的方法,也为植物次生代谢物的广泛应用研究提供了基础。本文主要从植物激素类、叶酸类、黄酮类等次生代谢物方面进行阐述,结合液质联用技术,简要论述不同次生代谢物检测技术的研究进展。     

高分辨质谱技术视野下的细胞代谢组学研究策略

高分辨质谱技术的卓然发展,分析化学、化学计量学与生物学的深度融合,使得秉承系统性思维、依托大数据信息表征能力的诸多组学技术在当今大行其道,让生命科学研究具备了愈加宏大开阔的视野。以Q Exactive为代表的高分辨率/准确质谱同时定性与定量能力的坚实提升为细胞代谢组学研究提供了系统完备的解决策略,从科学发现到假说验证,从非靶向全组分代谢信息表征到基于高分辨定量的靶标代谢分析,高分辨质谱技术视野下的代谢组学思维将深切地改变着细胞研究的科研形态,为生命科学打开一扇崭新的开启宝藏之门。     

代谢组学技术发展及其在农业动植物研究中的应用

代谢组学是依赖灵敏、稳定的分析流程和数据库,利用色谱–质谱联用、核磁共振技术对生物体内以及生物样品所有的小分子代谢物进行鉴定和定量分析的学科,在医学、食品科学、畜牧学、植物学等领域得到广泛应用。代谢组学方法可将代谢物种类和含量的变化与生物表型变化建立更直接的联系,因此代谢组学逐渐成为继基因组学、转录组学、蛋白组学后对复杂性状系统解析的新的研究手段。本文介绍了代谢组学常用分析策略、检测平台和常用数据库。在此基础上,综述了代谢组学在农业动物重要经济性状代谢分子鉴定、疾病诊断、肉品质及动物制品安全检测等领域取得的进展,并总结了利用代谢组学、转录组学和基因组学等多组学研究在动植物重要性状的发育、形成和解析等领域取得的最新成果。代谢组学与其他多组学方法整合分析,可以更全面地阐述各类复杂性状的遗传机制,有助于完善"突变–基因–表达–代谢–表型"的完整生物学过程,为复杂性状的机理解析提供新方法,为新型农业育种提供新思路。     

基于代谢组学技术的植物抗病相关代谢物研究进展

植物受到病原真菌侵染时往往通过调节体内代谢物的产生来增强自身抗性,代谢组学技术是研究植物抗病相关代谢物的重要工具。指认植物抗病相关代谢物不仅利于深入探讨其抗病机制,还可与其他组学技术结合,辅助抗性品种鉴定和抗病品种培育。该研究对近年来国内外有关基于代谢组学技术指认植物抗病相关代谢物的流程、已发现的抗病相关代谢物及其作用机制的研究进展进行综述,并探讨了目前应用代谢组学技术研究植物抗病相关代谢物过程中面临的挑战。     

微生物代谢组学的前处理及分析技术

微生物代谢组学主要研究细胞生长或生长周期某一时刻细胞内外所有低分子量代谢物。分析技术的不断发展促进了微生物代谢组学研究的进展。本文结合微生物样品前处理方法, 综述了目前研究中所采用的各种分析技术的特点与应用, 并展望微生物代谢组学研究中分析技术的发展趋势。     

现代代谢组学平台建设及相关技术应用

代谢组作为生命科学研究的5个层面(基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表型组)之一越来越受到科研工作者的关注。色谱–质谱联用技术由于其高分离能力、高灵敏度等优点在代谢组学(定性和定量)领域发挥重要的作用,基于色谱–质谱联用技术的代谢组学已成功应用于代谢表型差异研究、基因功能鉴定和转基因生物安全性评价等多个研究方向。本文以中国科学院遗传与发育生物学研究所代谢组学平台为例,详细介绍了现代代谢组学平台色谱–质谱联用仪器的硬件组成,以及不同技术平台在现在系统生物学研究中的具体应用。     

代谢物组学及其在微生物研究中的应用

代谢物组学(metabolomics)是继基因组学(genomics)、蛋白质组学(proteomics)后发展起来的一门新学科。对代谢物组学的含义,研究方法及流程,特别是其在微生物中的应用进行了介绍,包括使用代谢物组学中的NMR技术研究微生物在降解环境污染物中的作用;使用代谢物组学技术研究微生物代谢通量,从而在分析代谢通量的基础上通过代谢工程改变代谢通量,提高目的产物的得率;确定所获得基因库中沉默基因的功能;运用代谢物组学分析方法阐明生物体系对于环境变化的响应,从而协助我们确定最佳的取样时间及最佳分析组织,设计实验。随后简要对代谢物组学发展动态进行了展望。     

功能代谢组学技术在微生物研究中的应用

功能代谢组学是以代谢组学技术发现关键代谢物为基础,结合体内体外实验和分子生物学等技术手段,研究差异代谢物及相关蛋白、酶和基因的功能,从而揭示生物体内在的分子调控机制。功能代谢组学技术具有精准识别关键调控代谢物及其相关基因或酶的特性,近年来在微生物相关疾病的防控和工业化生产等方面受到了广泛的关注。本文介绍了功能代谢组学技术的分析流程、相关研究方法与平台及其在微生物研究方面的应用,其中重点阐述了真核、原核以及病毒微生物的代谢特性、调控靶点及相关防控策略等。最后,提出功能代谢组学研究在未来面临的问题与挑战,为后续功能代谢组学的研究与发展提供新的思路。     

功能代谢组学技术在微生物研究中的应用

功能代谢组学是以代谢组学技术发现关键代谢物为基础,结合体内体外实验和分子生物学等技术手段,研究差异代谢物及相关蛋白、酶和基因的功能,从而揭示生物体内在的分子调控机制。功能代谢组学技术具有精准识别关键调控代谢物及其相关基因或酶的特性,近年来在微生物相关疾病的防控和工业化生产等方面受到了广泛的关注。本文介绍了功能代谢组学技术的分析流程、相关研究方法与平台及其在微生物研究方面的应用,其中重点阐述了真核、原核以及病毒微生物的代谢特性、调控靶点及相关防控策略等。最后,提出功能代谢组学研究在未来面临的问题与挑战,为后续功能代谢组学的研究与发展提供新的思路。     

天蓝色链霉菌代谢物组测定方法优化及其代谢特征

链霉菌能够产生多种抗生素,具有重要的研究与应用价值。代谢物组学能够定性和定量测定胞内外主要低分子量代谢产物。相对于其他组学,代谢物组学在监控胞内代谢状态、指导物种理性改造方面具有独特优势。本文旨在建立一种快速、准确的链霉菌胞内代谢物分析方法。以模式菌株天蓝色链霉菌为研究对象,基于GC-MS分析平台优化了代谢物组学样品制备流程中的细胞淬灭时间、菌体分离方法、代谢物提取及代谢物衍生化条件,并利用该方法对天蓝色链霉菌不同生长时期各代谢途径的相对活性进行了初步分析。采用"低温淬灭(–40℃,4 min)-快速过滤分离-反复冻融(45 s/3 min)-衍生化(40℃,90 min)"的流程能够鉴定出中心代谢途径(糖酵解、戊糖磷酸途径和TCA循环)、氨基酸代谢途径、脂肪酸代谢途径、核酸代谢途径及部分次级代谢途径中的103种主要代谢物。利用该流程测定发现天蓝色链霉菌细胞生长周期中存在显著的代谢时序差异,并且发现氨基酸与脂肪酸代谢在衔接初级代谢与次级代谢生物合成中具有重要作用。本研究建立的测定方法能够有效地用于天蓝色链霉胞内代谢物分析,该方法将有助于深入刻画链霉菌细胞代谢过程,为菌株代谢工程改造增加次级代谢产物产量提供理性指导。     

基于稳定同位素的代谢组学临床研究进展

基于稳定同位素示踪的代谢组学不仅能检测疾病发生发展及治疗过程中相关代谢物的变化,还可以对生物体系的代谢物进行定量分析并描述代谢特性。目前,稳定同位素示踪的代谢组学技术可在受试者体内直接追踪到代谢网络的单个原子,更有利于发现与疾病病因和诊断及药物疗效评估相关的生物标志物。现就稳定同位素示踪代谢组学在临床研究中的应用做简要概述,以期为将来更好地开展代谢组学在临床方面的研究提供重要依据。     

基于LC-MS的冠心病人源菌群小鼠代谢组学研究

目的使用基于液态色谱-质谱联用法(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)的非靶向代谢组学技术研究冠心病人源菌群小鼠特征性代谢产物。方法 28只无菌雌性C57BL/6J小鼠分为对照组(CON)和模型组(CAD),分别接种健康志愿者和冠心病患者的新鲜粪便悬液,移植后6周和10周每组安乐7只动物采集血浆,使用LC-MS技术对小鼠的血浆代谢物进行研究,运用PCA和PLS-DA统计学方法鉴别特征代谢物及相关代谢通路。结果最终通过标准品确认30个在2个时间点均存在的特征性差异代谢物。其中L-肉毒碱、苯丙酮酸、1-萘酚、2-萘酚在模型组显著升高。胆汁酸代谢通路、甘氨酸丝氨酸和苏氨酸代谢途径在建模6周、10周均下调。结论冠心病人源菌群小鼠出现与患者类似的代谢紊乱。     

重金属胁迫下的微生物代谢组学研究进展

微生物的代谢活动易受到环境变化的影响,当环境中存在重金属污染时微生物会通过调节代谢降低自身所受的重金属的毒害。本文通过微生物代谢组学研究探讨重金属胁迫下微生物代谢活动的响应情况,介绍了微生物代谢组学的相关技术和方法,对其应用进行说明;基于重金属对微生物细胞的毒害作用,对重金属胁迫下微生物代谢组学的相关内容进行综述,发现在重金属胁迫下,微生物可以通过增加代谢活动进而产生更多的代谢物质来响应重金属的胁迫,其中微生物产生的胞外聚合物、草酸和柠檬酸等代谢物在微生物响应重金属胁迫中具有重要作用。微生物通过产生相应代谢物不仅使自身可以在重金属胁迫下生存,这些代谢物还可以使环境中重金属有所减少,这对于利用微生物资源修复重金属污染具有重要意义。