人类代谢组计划草图绘就——专家认为可能比“人类基因组计划”产生更大影响

加拿大阿尔伯特大学的研究人员近日宣布他们刚刚完成了人类代谢组的首个草图，他们编制并描绘了人体内的2500种代谢物、1200种药物以及3500种食物的成分。该研究结果发表在《核酸研究》上。研究人员认为他们的研究成果代表了疾病诊断新纪元的开始。     

比较代谢组学分析阿维拉霉素高产突变株代谢途径

阿维拉霉素(avilamycin, AVI)是一种寡糖类抗生素,因其具有较强的革兰氏阳性细菌抑制能力,被广泛应用于畜禽养殖。但传统的育种技术与不成熟的发酵工艺已成为限制其国产化的关键因素。基于已获得的利用核糖体工程技术改造的高产阿维拉霉素突变菌株,本研究采用比较代谢组学技术探究其与出发菌株的胞内代谢差异。利用GC-MS技术对发酵至第4、6、8天的菌丝体进行分析,共检测出112种化合物,经NIST谱库对比后精确匹配到29种胞内代谢物。二维主成分分析(principal component analysis, PCA)表明突变菌株与出发菌株的不同时间点代谢物有明显差异,通过正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis, OPLS-DA)得到11种胞内差异代谢物。KEGG代谢通路富集显示阿维拉霉素的合成主要与碳水化合物代谢和氨基酸代谢密切相关,且进一步筛选出6种关键差异代谢物：l-缬氨酸、l-丝氨酸、l-丙氨酸、d-半乳糖、d-纤维二糖和d-葡萄糖。突变菌株中这些代谢物的上调增强了其代谢流,使其在罐上发酵8 d时,阿维拉霉素产量较出发菌株提高76.86%。本研究的开展为后续阿维拉霉素发酵工艺理性优化提供了参考。     

代谢组学：一个迅速发展的新兴学科

对代谢组学的含义,中心任务,研究方法,样品要求,应用及其发展方向进行了简要综述. 系统生物学概念的诞生标志着研究哲学由“还原论”向“整体论”的变化. 系统生物学的中心任务就是要针对生物系统整体 (无论它是生物细胞,多细胞组织,器官还是生物整体),建立定量,普适,整体和可预测 (QUIP) 的认知. 具体而言,系统生物学研究就是要将给定生物系统的基因,转录,蛋白质和代谢水平所发生的事件,相关性及其对所涉及生物过程的意义进行整体性认识. 从而出现了许多的“组”和“组学”的新概念. 但是现已提出的一百多个“组”和“组学”,可以大体归纳为“基因组”/“基因组学”,“转录组”/“转录组学”,“蛋白质组”/“蛋白质组学”和“代谢组”/“代谢组学”四个方面. 显而易见,DNA,mRNA 以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础 (但这个过程有可能不发生!),而代谢物质所反映的是已经发生了的生物学事件. 因此代谢组学是对一个生物系统进行全面认识的不可缺少的一部分,是全局系统生物学 (global systems biology) 的重要基础,也是系统生物学的一个重要组成部分. 在现有的英文表述中,代谢组学同时存在两个不同的词汇和概念,即metabonomics 和 metabolomics. 尽管前者多用在动物系统而后者多用于植物和微生物系统,但这些概念的本质从他们的定义中能够得到较细致的了解. Metabonomics 的最初定义是就生物系统对生理和病理刺激以及基因改变的代谢应答的定量测定(“the quantitative measurement of the multi-parametric metabolic response of living systems to pathophysiological stimuli or geneticmodifications”). 我们认为这个定义现在可以更广泛地表述为:代谢组学是关于定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学 (“Metabonomics is the branch of science concerned with the quantitative understandings of themetabolite complement of integrated living systems and its dynamic responses to the changes of both endogenous factors (such asphysiology and development) and exogenous factors (such as environmental factors and xenobiotics).”). 其中心任务包括 (1) 对内源性代谢物质的整体及其动态变化规律进行检测,量化和编录,(2) 确定此变化规律和生物过程的有机联系. Metabolomics 存在多个定义,但其精髓是:对一个生物系统的细胞在给定时间和给定条件下所有小分子代谢物质的定量分析(the quantitativemeasurement of all low molecular weight metabolites in an organism's cells at a specified time under specific environmentalconditions). 因此,metabolomics 可以译作“代谢物组学”. 不难看出,前者是对生物系统进行的整体和动态的认识 (不仅关心代谢物质的整体也关注其动态变化规律),而后者强调分析而且是个静态的认识概念. 因此可以认为,metabolomics 是metabonomics 的一个组成部分 (参看定义). 近年又有人提出了“dynamic metabolomics”的概念,这个概念所表达的含义十分接近“metabonomics”本身的含义. 所以,可以预见,随着这门新兴学科的发展和更深入讨论,这两个概念必将趋向一致. 因此我们建议,在中文表述中将“代谢组学”一词和英文中的 metabonomics 相对应,以避免不必要的混淆和争议. 就细胞系统而言,不仅存在细胞自身的代谢物质组成问题,存在细胞之间代谢物质交换的问题,也存在代谢过程所发生的位点问题. 因此,简单地分析代谢物质的总组成 (即代谢组) 缺乏“整体论”所要求的全面性,其意义有一定局限. 代谢组学属于全局系统生物学 (Global systems biology) 研究方法,便于对复杂体系的整体进行认识. 譬如,一个正常工作的人体包括“人体”本身和与之共同进化而来且共生的消化道微生物群体 (或称菌群),孤立地研究“人体”本身的基因,转录子以及蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息,但无法提供使人体正常工作不可缺少的菌群的信息. 人体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每一个细胞的信息,因此代谢组学方法对研究如人体这样复杂的进化杂合体十分有效. 正因如此,代谢组学已经广泛地应用到了包括药物研发,分子生理学,分子病理学,基因功能组学,营养学,环境科学等重要领域. 在代谢组学诞生的过去 6 年里,有关代谢组学的研究论文和专利以指数的形式逐年增长. 可以预见,这门新兴学科将应用到更为广泛的领域.     

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。     

关于代谢物组和代谢物组学术语的规范使用

本文结合代谢物组学相关研究历史及最新进展,对代谢物组(metabolome)和代谢物组学(metabolomics),以及代谢组(metabonome)和代谢组学(metabonomics)四个术语的词源和译名进行了较为系统的考证辨析。综合考虑术语的词源、概念内涵和逻辑合理性等,我们认为代谢物组(metabolome)和代谢物组学(metabolomics)更为科学和合理,具有更广泛的接受度和更高的传播度,因此建议优先规范使用。     

微生物代谢组学及其在工业中的应用

微生物代谢组学是系统生物学的重要组成部分,其与基因组学、转录组学和蛋白质组学相互补充,近年来受到越来越多人的重视。其主要对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进行定性和定量分析,直接反映了细胞的生理状态,对理解细胞功能十分重要。由于代谢物的复杂性,研究者需根据不同的目的及对象选择合适的分析方法。对微生物代谢组学近年来的研究方法进行综述,包括样品处理、分析手段、数据分析,并讨论了微生物代谢组学在工业中的应用及所面临的挑战。     

不同年龄大鼠尿液代谢组学研究

旨在探究健康大鼠的尿液代谢物在生长、发育和衰老过程中的年龄相关性变化。采集大鼠出生后3周、5周、7周、9周、12周、56周和111周共7个年龄点的尿液样本,利用GC/TOF-MS平台进行代谢组学检测。结果显示,所有尿液样本在主成分分析与偏最小二乘法判别分析中出现组内聚类和组间分离。氨基酸类、有机酸类和碳水化合物类代谢物是大鼠尿液样本中的主要代谢物类型。尿液代谢物如4-羟基脯氨酸、L-赖氨酸和尿酸等随年龄增加逐渐下降,D-核糖、乌头酸和富马酸等在老年阶段水平升高,而烟酸和5-羟基吲哚等在老年阶段水平下降。以上结果揭示了年龄影响大鼠尿液代谢,多种尿液代谢物在生长、发育和衰老过程中出现年龄相关性变化。     

旱柳失水枝条中ABA介导的代谢组响应分析

ABA是植物干旱胁迫的关键激素,通过代谢组学分析,揭示旱柳离体枝条ABA介导的失水响应差异代谢物及其相关通路,为旱柳干旱胁迫响应提供研究基础和理论依据。【方法】以旱柳离体枝条为材料,探究ABA合成抑制剂钨酸钠溶液浸泡后旱柳失水至不同水势枝条木质部代谢组的差异响应。【结果】失水至P50（-1.9 MPa）旱柳枝条代谢组与未失水枝条（0 MPa）相比,脱落酸含量显著增加了4.25倍,D-果糖等可溶性糖含量与组氨酸等氨基酸含量显著增加。ABA抑制剂处理后脱落酸含量显著降低了3.82倍,D-1,5-脱水果糖等可溶性糖含量与苯丙氨酸等氨基酸含量显著降低。植物激素信号转导、类胡萝卜素生物合成和淀粉与蔗糖代谢途径等是旱柳枝条失水响应的关键代谢通路。【结论】旱柳枝条失水后ABA含量显著增加,介导淀粉水解过程等降低了细胞渗透势以应对干旱胁迫。     

苜蓿中华根瘤菌代谢组学样品制备方法的研究

代谢组样品制备是代谢组学研究的基础。本文以维生素B12生产菌株苜蓿中华根瘤菌Sinorhizobium meliloti 320为研究对象,通过检测细胞损伤、ATP泄漏、代谢物回收效率以及细胞代谢淬灭效率综合评价细胞淬灭方法,同时对5种提取试剂的提取效率进行比较优化胞内代谢物的提取方法。最终获得苜蓿中华根瘤菌S.meliloti 320的胞内代谢组学样品制备较佳条件:即-20℃40%甲醇淬灭细胞,过滤收集淬灭细胞,甲醇/乙腈/水(体积比为2∶2∶2,外加0.1%的甲酸)与50%甲醇相结合提取胞内代谢物。实验结果显示-20℃的40%甲醇(通过过滤收集细胞)对细胞膜的损伤较小,且细胞代谢淬灭效率和回收效率较高;甲醇/乙腈/水(体积比为2∶2∶2,外加0.1%的甲酸)与50%的甲醇对胞内代谢物的提取效率较高且有互补作用。     

液相质谱联用的代谢组方法优化及其在蓝细菌分析中的应用

为了准确鉴定光合蓝细菌中的各种代谢物,需要对基于液相色谱–质谱联用仪(LC-MS)的代谢组学分析方法进行有针对性的优化。本研究选取了24种涉及中心碳代谢和能量代谢的代谢物作为LC-MS的检测目标,获得了每个代谢物的最适色谱分离条件和质谱参数;同时以光合蓝细菌Synechocystis sp.PCC6803为主要对象,针对性地优化了样品前处理条件,结果显示适当延长梯度洗脱顺序表的时间并将流速设为0.2 m L/min可以得到最佳的分离效果,同时选择80%(V/V)甲醇(-80?C)作为代谢物萃取剂。分析结果证明这一代谢组分析技术可以成功地应用到光合蓝细菌的研究中。     

菌物代谢组学应用及存在的问题

代谢组学是一个可灵敏捕捉各种生物或非生物因素导致的供试样本中小分子代谢成分变化及其规律的实验方法,被广泛应用于生理生化、病理药理、生物工程、化学生态等很多方面.由于菌物种群数量庞大、未知结构次生代谢产物众多,严重影响到生物标记物的鉴定和进一步深入分析.为此,在总结目前菌物代谢组研究成果的基础上,结合十年的菌物代谢组学研...     

代谢组学视角下的轻度认知障碍生物标志物研究进展

轻度认知障碍的实际发病率较高,对人们的日常生活影响较大,但是其发现较为困难,这对该疾病的早期诊断与治疗以及病程监测等方面提出了全新的挑战。轻度认知障碍生物标志物的发现将为该疾病的诊疗提供适时的帮助,最近,代谢组学技术在轻度认知障碍的生物标志物发现方面展示了许多新的研究结果。综述了近期代谢组学技术在轻度认知障碍研究中的重要发现,包括关键代谢物的鉴定、代谢途径的异常及其与轻度认知障碍病理生理过程的联系等。代谢组学技术的应用将为轻度认知障碍的早期诊断及个性化治疗等领域的发展提供新的思路和重要理论基础。     

植物代谢组学研究进展

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一门学科,通过对细胞内的基因表达最终代谢产物的定性和定量分析以及定义细胞或器官的生化表现类型来解释功能基因的表达过程。文中就代谢组学的发展历史、主要研究内容、技术特点、数据处理过程及在植物领域中的应用的最新进展几方面进行阐述,以供读者参考。     

植物代谢组学的研究方法及其应用

代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物.植物代谢组学是指对植物抽提物中代谢组进行高通量、无偏差全面分析的技术.近年来,植物代谢组学研究取得了很大进展.本文介绍了其含义、历史沿革及研究方法,并用典型实例阐释了它的应用方向.     

植物代谢组学的研究方法及其应用

代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物。植物代谢组学是指对植物抽提物中代谢组进行高通量、无偏差全面分析的技术。近年来, 植物代谢组学研究取得了很大进展。本文介绍了其含义、历史沿革及研究方法, 并用典型实例阐释了它的应用方向。     

代谢物组学的研究进展

结构基因组学、蛋白质组学和转录物组学的研究产生了大量关于基因表达和蛋白质表达的数据,但同时,它们与功能基因组学的研究相比也显示出了局限性。与之相对,生物体内代谢物组的研究有广阔的前景,这便随之产生了代谢物组学。本系统地综述了代谢物组学的最新发展动态,主要包括代谢物组学的研究内容、研究手段及其应用领域等方面。     

细胞代谢过程中的酶促糖基化及其功能

细胞代谢过程中多样的生化修饰反应能够精细调控细胞的活力与功能。其中,酶促糖基化是细胞代谢调控过程中普遍存在的一种分子修饰,对维持和调节细胞功能具有重要影响。糖基转移酶通过将糖基供体的糖基转移至相应的受体分子来实现糖基化修饰。受体分子经过糖基化修饰会改变其在细胞内的稳定性、溶解性和区域定位等特性,并在调节细胞周期、信号转导、蛋白质表达调控、应答反应和清除细胞异物等诸多生物过程中起着重要作用。简要介绍了细胞代谢过程中糖基转移酶超家族的分类、命名和催化机制。重点阐述细胞中蛋白质类生物大分子和小分子化合物的糖基化反应及其在细胞代谢过程中的功能。展望了细胞中糖基化反应及糖基转移酶在人类健康、医药产品、工业催化、食品和农业等领域的应用前景。     

果树代谢组学研究进展

果树代谢组学是继基因组学、蛋白质组学之后又一新兴的组学技术,主要是从代谢水平研究果树整体或局部代谢物变化差异,帮助发现新功能基因和了解代谢网络。目前果树代谢组学研究刚刚起步,相关研究相对较少,该文介绍了果树代谢组学的主要研究内容与方法以及在果树上的相关应用。     

Human Metabolome Technologies实力还是未知数的代谢组公司受到关注

Human Metabo1ome Technologics（HMT）是拥有代谢组解析技术的创业企业。所谓代谢组是指存在于生物体内或细胞内的所有代谢物。在细胞里面除了像蛋白质那样的大分子还存在有机羧酸（Carboxylic Acid）、糖磷酸化合物等低分子的代谢物。在细胞内呼吸以及光合作用过程中产生各种各样的代谢物．这些代谢物的量随时在变动。如果能够解析清楚代谢物的话．就有可能找到细胞内的基因以及蛋白质的表达解析结果体现不出来的差异。