APT 蛋白质组学和代谢组学 (中医药)
代谢组学应用于中医药研究的思考
收稿 日期 ：００一 】 ４ ２ １ Ｏ 一０ 修 回日期 ：０ ０—０ ２１ ５—２ ０
整理 而得 到的 心得 ， 它很 大程 度 上 依 赖 于 医生 的诊 疗
１ 中 医方 面
代谢 组学是 ２ ０世纪 ９ ０年代 继 基 因组 学 和蛋 白质 组 学之后 发展起 来 的 一 门学 科 ， 关 于 生 物 体 内 源性 是 代谢 物质种 类 、 量及 其 变 化 规 律 的科 学 。 它 研究 的 数 是生 物整 体 、 系统器 官 的 内 源性 代 谢 物 质 及 其所 受 内
谢组 学 的研 究 方 法 依 赖 于分 析 化 学 中 的 各 种 谱 学 技 术， 如核磁 共振 波谱 、 质谱 、 效 液相 色 谱 、 高 红外 光 谱 、 紫外 可见 光谱 以及 各种 原 子 光 谱 等 ， 基 于 核磁 共 振 而
（ ＭＲ） Ｎ 的代 谢 组 学 研究 技 术是 目前 研 究 和 应用 较 多 的一 种 。Ｎ Ｒ 的优 势在 于所 检测 样 品无 需 繁琐 的预 Ｍ
和辨 证论 治 思维相 吻合 ， 中医认 识和 解释 疾病 的 方法相 一 致 ； 用 系统 生物 学的 策略 和 方 法 ， 与 采 以基 于 疾病 和 药物干 预 下的 系统代谢 网络 的整体性 和动 态性 的 变化 来评 价 中药 整体 效 应 ， 用以 解释 中药 方剂
对 疾病 的治 疗作 用 ， 使得 代谢 组 学成 为 中药现代 化研 究 中一个 非 常合 适 的 方 法。代 谢 组 学将 会是 中 医
有 关代谢 组 学应 用于 中 医药研 究 的文献 基础 上 ， 讨 代谢 组 学 与 中 医证 候 、 探 中医整体 观 、 药质量 标 准 中
代谢组学方法及其在中医药研究的现状与展望
和 遗 传 等 因 素 影 响 而 发 生 的异 常 。而 应 用 代 谢 组 学研 究方 法 则 可 以从 整 体 出 发 ， 认识 和 把 握 细 节 ，捕 捉 到 代 谢 网络 的细 微 变 化 获 得 偏 离 出 正 常 范 围 的特 征 性 代 谢 表 达 图谱 。 从这 些 特 征 性 代 谢 表 达 图 谱 中提 取有 意义 的功 能信 息 ，进 行 归 纳 和整 合 。这 些 代 谢 图谱 可 能 是 中医 证候 规 律 的 物质 基 础 以“ ”“ ”“ ” 组 、群 、 谱
下，代谢整体 的变化 轨迹 ，反映某种病理（ 生理） 过程 中所 发生 的一 系 列 生 物 事 件 。 １
１ 代 谢 组 学 的特 点 与 转 录 组 学 和 蛋 白组 学 比较 ， 谢 组 学 有 以下 优 点 ［ １ 代 ４ ：① ， ５
代谢组学放大 了基因和蛋 白表达的微小变化 ，从而 使检 测更容 易 ；② 代 谢 组 学 的研 究 不 需 建立 全 基 因组 测序 及 大 量表 达序 列 标 签（ Ｓ ） Ｅ Ｔ 的数据库 ，且代谢产 物的种类 要远 小于基 因和 蛋 白 的数 目：③ 由于给定 的代谢产物在每个组织 中都是一样 的，所 以研究 中采用的技术更为通用也更易被人们所接受。④ 生物 体 液 的代 谢 产 物 分 析 可 反 映 机 体 系 统 的 生 理 和 病 理 状 态 。通 过 代
代谢物组学在中药研究中的应用前景展望
代谢物组学在中药研究中的应用前景展望随着现代科技的不断发展，代谢物组学（Metabolomics）已成为生物医学等领域中最具前沿的研究技术之一。
在保持人类健康和抗病能力方面，中草药一直以来都扮演着重要的角色。
而代谢物组学技术的发展也为中药研究带来了新的突破和机遇。
在这篇文章中，我将从代谢物组学技术的应用背景、代谢物组学在中药研究中的现状以及代谢物组学在中药研究中的未来前景三个方面进行探讨，并展望代谢物组学在中药研究中的应用前景。
一、代谢物组学技术的应用背景代谢物组学技术是指在一定时间内对生物体内全部代谢产物进行综合性的鉴定、定量和分析，并对其进行系统的解释、整合和虚拟重建的技术。
它的应用范围广泛，可以帮助我们深入了解生物体内的相关代谢物并探究它们之间的相互作用，为疾病的早期诊断、药物治疗和健康维护等方面提供新的手段和思路。
二、代谢物组学在中药研究中的现状1.代谢物组学在中药药效评价中的应用中药复方加工成药治疗疾病的药效常常依赖于主要成分和次生代谢产物等的共同作用，并且其作用机制相对复杂。
传统的中药药效评价方法在分析病理生理机制上受到很大的限制。
而代谢物组学能够通过对中药活性代谢物进行定量测定和综合分析来揭示中药复方的有效成分，为中药的药效评价提供了新的手段。
2.代谢物组学在中药质量控制中的应用中草药因其来源广泛、生长环境不稳定等原因存在成分多、来源杂、学名模糊等问题。
这种不稳定性对中草药的质量控制和药效评价造成了极大的困难。
代谢物组学技术在中药质量控制中发挥了重要的作用。
通过分析中药中的代谢物组成，可以对中药药材的质量进行鉴别、检查和质量管理，从而实现对中药质量控制的有效监测和评价。
3.代谢物组学在中药新品种研发中的应用代谢物组学技术可以全面、细致、高效地解析药材中的代谢产物，用以鉴定新品种的质量和属性。
此外，在新品种的研发过程中，代谢物组学技术可以评估不同品种之间的代谢差异，并提供中药新品种的研发和优化方案。
蛋白组学联合代谢组学
蛋白组学联合代谢组学蛋白组学联合代谢组学是一种综合的研究方法，用于揭示生物体内蛋白质和代谢物之间的相互作用关系。
蛋白组学研究的是生物体内蛋白质的种类、结构、功能及其在生物过程中的变化规律，而代谢组学研究的是生物体内代谢物（例如小分子有机物、代谢产物等）的种类、含量、转化规律等。
蛋白组学和代谢组学相互结合，可以更全面地了解生物体内的生物过程，揭示其中的关键调控机制。
蛋白质是生物体内重要的功能分子，参与几乎所有的生物过程，包括细胞信号传导、基因表达调控、代谢物转运等。
蛋白组学通过研究蛋白质的种类和表达水平的变化，可以帮助我们了解生物体内各种生理和病理状态下的蛋白质组成和功能变化。
代谢物则是蛋白质功能的直接反映，代谢组学通过研究代谢物的种类和含量的变化，可以揭示生物体内代谢途径的活性、代谢物互作关系以及代谢物与蛋白质之间的相互影响。
蛋白组学和代谢组学的结合，可以为生物学研究提供更全面的信息。
蛋白质的表达水平受到基因表达调控、翻译后修饰等多种因素的影响，而代谢物的产生和变化则受到蛋白质的调控。
通过联合分析蛋白质和代谢物的变化，可以揭示生物体内复杂的生理和病理状态下的分子机制。
例如，在疾病的研究中，通过蛋白组学可以鉴定疾病相关蛋白的表达水平变化，帮助我们了解疾病的发生机制和进展过程。
而代谢组学则可以揭示疾病状态下代谢物的变化规律，帮助我们寻找疾病的生物标志物。
将蛋白组学和代谢组学联合分析，可以更全面地了解疾病的分子机制，并为疾病的诊断和治疗提供更精确的依据。
蛋白组学联合代谢组学在药物研发中也具有重要的应用价值。
药物的作用机制往往是通过与特定的蛋白质相互作用来实现的，蛋白组学可以帮助我们鉴定药物与蛋白质的相互作用关系。
而代谢组学则可以揭示药物在生物体内的代谢途径和代谢产物的变化，帮助我们了解药物在体内的代谢动力学。
通过联合分析蛋白组学和代谢组学的数据，可以更好地评估药物的疗效和副作用，为药物研发和个体化用药提供支持。
基因组学,蛋白组学,代谢组学的区别
基因组学,蛋白组学,代谢组学的区别
基因组学,蛋白组学和代谢组学是生物学领域中研究生物分子
的三个重要分支，它们之间有一些区别：
1. 基因组学 (Genomics) 研究的是生物体内的全部基因组，即DNA序列。
它关注的是基因的组成、结构、功能和相互作用
等方面。
基因组学的研究对象包括基因的识别、定位、序列比较和分析等。
2. 蛋白组学 (Proteomics) 研究的是生物体内的全部蛋白质组成，即蛋白质的类型、结构、作用和调控等方面。
蛋白组学的研究对象包括蛋白质的鉴定、表达、翻译后修饰和互作等。
3. 代谢组学 (Metabolomics) 研究的是生物体内的全部代谢产物，即代谢物的种类、浓度、代谢路径和功能等方面。
代谢组学的研究对象包括代谢物的鉴定、定量、代谢产物组成的变化和代谢途径的调控等。
基因组学、蛋白组学和代谢组学之间存在着密切的联系和相互依赖。
基因组学提供了蛋白组学和代谢组学的基础信息，蛋白组学探究基因组学中编码的蛋白质的功能和相互作用，代谢组学则可以反映蛋白质和基因组的功能状态和调控网络。
综合这三个分支的研究结果，可以加深对生物体内分子组成和功能的理解，揭示生物体内的生物学过程和疾病机制。
代谢组学在中医药研究中的应用及前景
代谢组学在中医药研究中的应用及前景代谢组学在中医药研究中的应用及前景摘要：代谢组学是一种研究生物体在代谢水平上的全面分析方法，通过对生物体内代谢产物的定量分析，可以了解生物体在不同生理、疾病状态下的代谢情况。
中医药研究中，代谢组学的应用可以揭示中药对人体代谢的影响机制，进而提供基于代谢的中医药疗效评估方法。
本文通过定量分析和SWOT分析的方法，探讨了代谢组学在中医药研究中的应用及前景，并对未来的发展进行了展望。
1. 引言中医药作为中国传统医学的瑰宝，对人类健康保健和疾病治疗都做出了重要贡献。
然而，由于中药复方的复杂组分和多靶点的作用机制，其疗效评估一直是一个难题。
代谢组学以其全面、系统的分析优势为中医药研究提供了新的思路和方法。
2. 代谢组学在中医药研究中的应用2.1 中药对代谢的影响通过代谢组学方法，可以揭示中药对人体代谢的影响机制。
通过分析中药对代谢产物的影响，可以了解中药对不同疾病的适应性，进而为中药的药效评估和治疗指导提供依据。
2.2 中药与疾病的关联分析代谢组学可以通过分析代谢产物的变化，揭示中药与疾病之间的关联。
通过将中药与病理状态下的代谢谱进行比较，可以找到中药对特定疾病的调节作用和治疗机制。
2.3 中药配伍的代谢组学研究中药常常通过复方的形式应用于临床，复方中的多种中药组分之间存在相互作用。
代谢组学可以揭示中药配伍对代谢的综合效应，为中药复方的疗效评估和配伍规律的研究提供依据。
3. 代谢组学在中医药研究中的前景3.1 代谢组学和个体化医学的结合代谢组学可以解析人体代谢的个体差异，为个体化药物治疗提供依据。
通过结合代谢组学和基因组学、蛋白质组学等技术，可以实现对人体健康和疾病的精准调控。
3.2 多组学融合研究的拓展代谢组学与其他组学研究方法的结合，可以实现对生物系统的全面分析。
与转录组学、蛋白质组学等方法相结合，可以深入了解中药的多目标作用机制，为中药的疗效评估和药效物质基础的研究提供更加全面的视角。
代谢组学 蛋白质组学区别
代谢组学和蛋白质组学是两种不同的高通量技术，用于研究生物体内代谢物和蛋白质的组成和变化。
代谢组学是指通过分析生物体内代谢产物的组成和变化，研究代谢通路、代谢调节和代谢疾病等问题的技术。
代谢组学主要使用质谱和核磁共振等技术，对生物体内代谢产物进行定性和定量分析，从而得到代谢组的信息，可以用于研究代谢调节、代谢通路的变化以及代谢疾病的发生机制等问题。
蛋白质组学则是指通过分析生物体内蛋白质的组成和变化，研究蛋白质结构、功能、代谢和疾病等问题的技术。
蛋白质组学主要使用二维凝胶电泳、液相色谱质谱等技术，对生物体内蛋白质进行分离、鉴定和定量分析，从而得到蛋白质组的信息，可以用于研究蛋白质结构、功能、代谢和疾病等问题。
因此，代谢组学和蛋白质组学是两种不同的技术，分别从代谢产物和蛋白质两个方面研究生物体的组成和变化，对于生物学、医学和生物制药等领域具有重要的研究价值。
代谢组学技术及其在中医药领域中的应用
代谢组学技术及其在中医药领域中的应用代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科,是系统生物学的重要组成部分,被认为是“组学”研究的最终方向。
中医证候间可能存在着非常明显的代谢产物的不同,利用代谢组学技术研究中医病证引起代谢物组的变化,可促进“证”本质的研究,使中医辨证科学化和定量化。
利用代谢组学技术整体性评价中药复方的综合疗效,阐明中药的效应物质基础,安全性机制,有助于建立科学的中药质量控制方法,确保临床中药产品的安全、有效。
根据代谢组学研究对象和目的的不同,可以将其研究目的分为4个层次：( 1)代谢物靶标分析:针对某个或某几个特定组分的分析,其目的通常是检测某个基因受干扰后其目标代谢产物浓度的变化,需要采取一定的预处理技术,除掉干扰物,以提高检测的灵敏度。
( 2)代谢物谱分析:针对少数预设的一些代谢产物的定量分析,如某一类结构、性质相关的化合物、某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分。
( 3 ) 代谢组学分析:一般是对限定条件下的某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行的定性和定量分析。
(4)代谢指纹分析:用于描述某种生理状态的代谢类型的集合。
它对所有代谢产物进行高通量的定性分析,一般不进行定量分析,不分离鉴定具体的单一组分,如表型的快速鉴定。
1 代谢组学研究方法磁共振技术( nuclear magnetic resonance, NMR) 、气相色谱( gas chromatography, GC) 、高效液相色谱( high performance liquid chromatography, HPLC) 、质谱(mass pectrometry,MS)是目前代谢组学研究应用最广泛的方法。
NMR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。
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。
NMR谱中的化学位移、峰面积、偶合常数、驰豫时间均是解析化合物结构的依据,这使得NMR 法成为目前代谢研究关注的一种方法。
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pull down
化学蛋白质组学
Kinome profiling
Direct targets
Only detected/prediction /references/GO注释
IP/competitively IP/Biacore
p21-activated kinase pathways
tissue microarray表达验证 shRNA, inhibitors 功能验证
p21-activated kinase 2：tumorigenesis and potential therapeutic targets for NSCLC
域的应用及案例分析 • 蛋白质组学和代谢组学技术在中药药理研究领域的应
用及案例分析 • 蛋白质组学和代谢组学技术联合应用 • 研究平台简介
II 中医理论与临床研究
用蛋白质组学或代谢组学的方法大规模地分析临床样本中蛋白质和代谢物差 异表达，在此基础上寻找用于诊断的生物标志物，为疾病诊断、分型、个性 化治疗提供基础；以代谢组表型差异为物质基础阐明中医病证理论。
Accuracy-based assessment of validated proteins for therapy outcome prediction
accuracy=85.7%.
Healthy VS
patients
Disease type 1 VS
type 2
Disease stage 1 VS
活性成分研究
研究目的:利用代谢组学的方法分析膜荚黄芪和蒙古黄芪的代谢物差异 寻找区分标志物
Mojia Huangqi VS Menggu Huangqi
Metabolomics Cluster analysis
OPLS-DA
ROC
内容
• 概念和技术特点与优势 • 代谢组学技术在中药分析研究领域的应用及案例分析 • 蛋白质组学和代谢组学技术在中医理论和临床研究领
OPLS
Excess ZHENG VS deficiency ZHENG
Metabolomics
Metabolic changes OPLS
ZHENG Classification
Excess VS deficiency VS without ZHENG
Metabolomics
Metabolic variables
Biomarker Early diagnosis
Biomarker
Biomarker
Biomarkers
Disease classification Disease progression Efficiency prognoses
Biomarkers Side effects prognoses
Personalized treatment
代谢物差异表达 谱分析
修饰蛋白质修饰 差异谱分析
蛋白质差异表达 谱分析
中医理论物质基础
生物标志物
诊断
治疗监视
个性化治疗
研究目的:利用代谢组学的方法揭示慢性丙肝“实证”和“虚证” 的物质基础
ZHENG Classification by Symptoms
OPLS
ZHENG Classification by Biochemical Indicators
内容
• 概念和技术特点与优势 • 代谢组学技术在中医药研究领域中的应用及案例分析 • 研究平台简介
蛋白质组学和代谢组学的概念 技术特点与优势
1980年代
1994年 1998年
• OMICS：大规模数据输出——全面数据挖掘，整体和网络水平研究 • Metabolomics：表型、状态直接相关——指针 • MS based Proteomics：更大规模的数据输出
nonsmall cell lung cancer tissues VS normal lung tissues
Label free proteomics 3621 protein groups, 758 differentially expressed proteins
GO enrichment analysis
基于蛋白的化学构成——亚型、修饰 不受抗体限制——新发现、创新研究
蛋白质，组织、 细胞、亚细胞、 体液等的蛋白提
取液
蛋白质组学
血液、尿液、 组织、植物等
代谢组学
技术方法概述
定性研究
定量研究 定量研究
蛋白质鉴定
蛋白质修饰（磷酸化/ 乙酰化/糖基化…）
大规模表达谱构建
MALDI TOF/TOF （较纯样品）
Control VS
Drug Treatment
Control /non-toxic dose VS
Toxic dose
Drug sensitive VS
Non- sensitive
比较蛋白质组学
Clinic drug usage and development
Fold changed T test/ANOVA assay
stage 2
Drug treatment VS
Non-treatment
Responders VS
non-responders
Side effects VS
Non-toxicity
Collected samples: body fluids, tissue biopsy
Proteomics
Metabolomics
AUC of 0.72 [95% CI: 0.62, 0.82]
AUC of 0.59 [95% CI: 0.5, 0.67]
个性化治疗
Response VS non-response
Individual sample
研究目的:发现能用于预测抗HCV治疗效果的biomarker
Collecting liver biopsies sample of patients
未处理细胞 VS Celastrol处理细胞 ER/microsomal vesicles-rich fraction
2D-MS proteomics
iTRAQ proteomics
6 upregulated protein spots and 4 downregulated protein
western blotting
Large-scale profile of proteins with different expression / PTM or metabolites
Pathological changes and mechanism
Biomarkers
Therapy monitoring
Drug evaluation and research
Contents
基于质谱技术的蛋白质组学和代谢组学 在中医药研究领域的进展与应用
严 峻 博士
中国科学院上海生命科学院 Shanghai Institutes for Biological Sciences
上海中科新生命生物科技有限公司 Shanghai Applied Protein Technology Co.,Ltd
I 表达谱分析
用蛋白质组学或代谢组学的方法大规模地分析药用物质提取液中的蛋白质或 小分子代谢物的组成，进而用于进行物质鉴定、产地区分和质量评定，以及 为后续的活性成分分析提供基础。
代谢物表达谱、 差异谱分析
修饰蛋白质表达 谱、修饰差异谱
分析
蛋白质表达谱、 差异表达谱分析
组成成分
鉴定、区分
提取工艺 质量评定
Endoplasmic reticulum protein 29 (ERP29) Mitochondrial import receptor Tom22 (TOM22) 通路及功能验证 （iRNA, inhibitor, et al）
ER stress induced mitochondrial apoptosis
已知 Biomarker 病例分组
DIGE-MS proteomics
Drug treatment
21 proteins whose expression levels correlate with therapy response. immunoblotting analyses
疗效
prediction model
用蛋白质组学方法研究药物作用后疾病相关蛋白、代谢物水平的变化,从而发 现和解析药物作用的机理。
差异代谢谱 分析
差异表达蛋白 谱分析
药物-蛋白相 互作用分析
大规模翻译后 修饰分析
药效及机制
Overall effects
Drug target耐药来自Indirect target
Direct target
药物研究思路I —— 比较蛋白质组学
MRM proteomic Western Blot
multiple new differentially expressed proteins
15 SCC, 15 ADC VS 15 control serum
ELISA 9 candidate
ROC analysis
41 SCC VS 34 controls 45 ADC VS 49 controls
Shotgun (复杂混合样品)
蛋白相互作用（IP） 基于凝胶技术
基于质谱技术 untargeted
非标记：2D
标记：DIGE
非标记：Label free
标记： iTRAQ/SILAC
SRM/MRM
targeted