代谢组学的研究方法和研究流程 课件
代谢组学的研究方法和研究流程
代谢组学的研究方法和研究流程分子微生物学１12３０0０0３林兵随着人类基因组计划等重大科学项目的实施，基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用，与此同时, 代谢组学(ｍｅtaｂoloｍiｃs）在2０世纪90年代中期产生并迅速地发展起来，与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。
基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用，它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律.这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。
代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。
对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。
代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。
代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障.1 代谢组学的概念及发展代谢组学最初是由英国帝国理工大学Ｊereｍｙ N ichｏｌson教授提出的，他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统，机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。
20０0年，德国马普所的Fｉeｈn等提出了代谢组学的概念，但是与Ｎ ichoｌs ｏn提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程，也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。
同时Ｆieｈn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类: 代谢物靶标分析，代谢轮廓（谱)分析, 代谢组学，代谢指纹分析。
现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的定义: 代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而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。
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体内药物分析
2018/12/1
生物样品预处理
代谢产物的变化对分析结果有较大的影响，在 处理生物样本时要特别注意避免由于残留酶活性或 氧化还原过程降解代谢产物、产生新的代谢产物 。
发展并渗透到多项领域。
细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放，能量
传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的。代谢组学正是研究代谢组
（ metabolome )——在某一时刻细胞内所有代谢物的集合——的 一门学科。
体内药物分析
基本概念
基因组 学
• 研究生物系统的基因结构组成, 即DNA的序列及表达 • 研究核糖核酸转录过程 • 研究生物系统表达的蛋白质及由外部刺激引起的差异
2018/12/1
氢谱(1H NMR)
将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的 1H-NMR谱峰与 样品中各化合物的氢原子对应,根据一定的规则或与标准氢谱比照 可以直接鉴定出代谢物的化学成分,信号的相对强弱则反映了各成 分的相对含量。不同样品的代谢物图谱有其特质性,可对这种特质 性进行区分、鉴定。
体内药物分析
2018/12/1
数据采集（分析技术平台） NMR
非破坏性，无偏向性 预处理简单 灵敏度低分辨率不高
GC-MS
较高分辨率和检测灵 敏度 有可供参考、对比的 标准图谱库 需衍生化处理 不适用于热不稳定物 质
LC-MS
不需要衍生化处理 适用不稳定，不易衍 生化，不易挥发物质 费时，需纯参照物
《植物代谢组学》课件
代谢物的提取与分离
提取方法
根据不同植物组织和代谢物的特性，选择合适的溶剂进行提 取。
分离纯化
通过色谱、电泳等技术对提取的代谢物进行分离纯化，提高 检测的准确性。
代谢物的检测与分析
检测方法
采用质谱、核磁共振等技术对分离纯化的代谢物进行检测。
数据分析
对检测到的代谢物进行定性和定量分析，确定其分子量和组成。
数据处理与解析
数据预处理
对原始数据进行清洗、去噪和归一化 处理，提高数据质量。
统计分析
采用统计分析方法，对数据进行深入 挖掘和解析，揭示代谢物之间的相互 关系和变化规律。
植物代谢组学的应
03
用
在植物生理生化研究中的应用
代谢物鉴定与分类
通过代谢组学方法，对植物中的代谢物进行鉴定和分类，有助于深入了解植物的生理生化过程。
随着研究的深入，人们将更加关注植物代谢物在环境和生 物胁迫下的动态变化，揭示其在植物生命活动中的调控机 制。
未来植物代谢组学的研究将更加注重实际应用，将研究成 果转化为农业生产中的实用技术和方法，为农业可持续发 展提供有力支持。
THANKS.
VS
生物农药与生物肥料开发
通过代谢组学技术分析植物与微生物之间 的相互作用，有助于开发新型生物农药和 生物肥料，促进绿色农业的发展。
植物代谢组学的研
04
究展望
提高检测灵敏度与特异性
总结词
随着代谢组学技术的发展，提高检测灵敏度 和特异性是未来的重要研究方向，这将有助 于发现更多低丰度代谢物，更准确地解析植 物代谢过程。
特点
具有系统性、复杂性、动态性等 特点，能够全面揭示植物体内代 谢物质的变化规律，为植物生理 生化研究提供有力支持。
代谢组学ppt课件
4
2 代谢组学的概念
在新陈代谢的动态进程中,系统地研究代 谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代 谢本质的科学。
5
Metabonomics ---英 Jeremy K.Nicholson 20世纪
90年代
生命体系对病理生理刺激或遗传改造所产生的 动态,多指标代谢响应的定量测定.
Metabolomics ---Oliver Fiehn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分子 量,结合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。
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(3)常用的其他一些分析技术
代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学 技术的核心部分,最常用的方法是有两种
NMR 质谱(MS)
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(1)核磁共振技术
原理
核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定 磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时 所发生的共振吸收现，是一种利用原子核在磁 场中的能量变化来获得关于核信息的技术. 生 命科学领域中常用的有三种
气相色谱(GC) 高效液相色谱仪(HPLC) 高效毛细管电泳(HPCE)
往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。 敏感性及分辨率提高,“假阳性”率也就越大
《代谢组学许国旺》课件
许国旺教授的生平简介
出生地与出生日期
工作经历
许国旺教授出生于中国浙江省，具体 的出生日期为XXXX年XX月XX日。
许国旺教授在XXXX年开始其教学生 涯，先后在XXXX大学和XXXX大学任 教。
教育背景
许国旺教授在XXXX年毕业于XXXX大 学，获得学士学位。之后，他前往 XXXX留学，获得博士学位。
代谢组学在生物医学领域的应用
代谢组学在疾病诊断中的应用
代谢组学在疾病诊断中具有重要作用， 通过对生物体代谢产物的检测和分析， 可以发现异常代谢标志物，为疾病的早 期诊断提供依据。
代谢组学技术可以检测血液、尿液等生物样 本中的代谢产物，通过比对正常与异常代谢 产物的差异，有助于发现潜在的疾病风险和 早期预警指标。
体外研究方法包括代谢组学高通量筛 选、代谢组学生物信息学分析、代谢 组学单细胞分析等。这些方法可以帮 助研究者从更宏观的角度了解生物体 的代谢变化，从而为药物研发、疾病 诊断和治疗提供有力支持。
代谢组学的研究技术
代谢组学的研究技术主要包括色谱法、质谱法、核磁 共振波谱法、毛细管电泳法等。这些技术可以帮助研 究者分离和鉴定生物体内的代谢产物，从而了解生物 体的代谢机制和调控规律。
代谢组学的研究内容
01
代谢产物的检测与 分析
研究生物体在不同生理或病理状 态下代谢产物的种类、含量及其 变化规律。
02
代谢调控机制
探讨基因、酶、激素等对代谢过 程的调控作用，以及代谢产物之 间的相互作用。
03
生物标记物的发现 与应用
寻找与疾病发生、发展相关的代 谢标记物，为疾病的早期诊断、 治疗和预后评估提供依据。
代谢组学研究的伦理和社会问题
随着代谢组学的广泛应用，涉及的伦理和社会问题也逐渐凸显，需 要加强相关法规和伦理规范的建设。
代谢组学的研究方法和研究流程演示文稿
代谢组学的研究方法和研究流程演示文稿代谢组学是研究生物体在特定状态下代谢物的整体谱图和变化规律的科学，主要通过技术手段获取和分析生物体内的代谢物，以揭示生物体在生理和病理过程中的代谢调控机制。
下面将介绍代谢组学的研究方法和研究流程，并以演示文稿的形式展示。
（演示文稿开始）第一页：代谢组学的研究方法第二页：样本采集样本采集是代谢组学研究的第一步，选择合适的样本对后续研究至关重要。
常用的样本包括血液、尿液、组织以及细胞培养基等。
样本采集需要遵循一定的操作规范，以保证采集到的样本质量。
第三页：代谢物提取代谢物提取是将样本中的代谢物从复杂的基质中分离出来的关键步骤。
传统的提取方法包括有机溶剂法、热甲醇法和酶解法等。
近年来，也出现了一些新的提取方法，如固相微萃取和液滴吸取等，具有提取效率高、代谢物稳定性好的优点。
第四页：代谢物分析代谢物分析是对提取的代谢物进行检测和定量的过程。
常用的代谢物分析技术包括质谱分析、核磁共振等。
质谱分析可以分为液相色谱质谱联用（LC/MS）和气相色谱质谱联用（GC/MS）两类，核磁共振可以分为核磁共振波谱（NMR）和磁共振成像（MRI）等。
第五页：数据处理数据处理是代谢组学研究中非常重要的一步，对代谢物的谱图进行选取、分析和建模，以研究代谢物在各个生理状态之间的变化。
常用的数据处理方法包括主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）、偏最小二乘回归（PLS-DA）等。
第六页：代谢组学的研究流程第七页：实验设计实验设计是代谢组学研究的重要环节，包括实验组和对照组的确定、样本数目的确定、实验周期的安排等。
合理的实验设计可以最大程度地减少实验误差，提高研究结果的可靠性。
第八页：样本采集样本采集根据研究目的和实验设计进行，合理选择适用的样本，并在采集过程中严格遵守操作规范，确保样本的质量。
第九页：代谢物分析代谢物分析是对采集到的样本进行代谢物提取和分析，通过质谱分析和核磁共振等技术，获取样本中代谢物的谱图信息。
代谢组学：基于质谱的研究方法PPT课件
2021
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三、发现代谢组学
4、安捷伦GC/MS 在发现代谢组学中的应用
在 解释 方面：
安捷伦Mass Prof iler 专业软件的通路分析功能，可以利用 已知的或独特的、用户基于已有数据设定的通路进行解释，大 大简化了这一过程
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三、发现代谢组学
5、LC/MS 在发现代谢组学中的应用
3、代谢组学的挑战
1、典型的代谢组学实验需大量样品才能得到精确统计的结果
2、代谢组学研究通常需要多种技术；某种类型的样品往往比其 他样品更适合采用某种特定的分析技术
3、需要高度灵敏和精确的仪器
4、强大的软件工具对处理实验所产生的大量数据非常重要 处理GC/MS 和LC/MS 数据的色谱解卷积程序、寻找有意义
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三、发现代谢组学
5、LC/MS 在发现代谢组学中的应用
在 解释 方面：
安捷伦Mass Prof iler 专业软件的通路分析功能，可以利用已 知的或独特的、用户基于已有数据设定的通路进行解释，大大 简化了生物通路过程
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三、发现代谢组学
2、代谢谱分析，寻找有统计学意义的代谢物
分析重现性对表达谱分析至关重要------分析变异越小， 所需的重复数就越少
代谢谱分析是经过复杂的特征提取，对已知代谢物进行 靶向代谢谱分析，以寻找意外的代谢物------代谢物以其分子 特征为标志表示，包括保留时间、质量或质谱图及丰度
2021
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二、GC-MS和LC-MS
4、GC/MS 分析
EI源的缺点 EI 电离经常会导致分子离子的丢失------找不到匹配
的EI谱------缺少的分子离子的质量信息将使可能的化合物的数 量变得非常庞大
《代谢组学介绍》课件
代谢组学的研究内容
代谢产物的检测与
鉴定
通过高通量检测技术，对生物体 内的代谢产物进行定性和定量分 析，了解代谢产物的种类和含量 。
代谢产物的变化规
律
研究生物体在生理、病理或环境 因素刺激下，代谢产物的变化规 律及其与生物功能的关系。
代谢调控机制
探讨代谢产物的合成、分解、转 化等过程，揭示代谢调控的机制 和规律。
跨学科融合
代谢组学与生物信息学、人工智能等领域的交叉融合，将有助于从海量数据中挖掘出更 具有预测性和指ห้องสมุดไป่ตู้意义的生物标志物。
应用领域拓展
代谢组学在药物研发、毒理学、营养学等领域的应用将不断拓展，为相关领域的研究提 供新的思路和方法。
未来代谢组学的研究方向
提高检测灵敏度和特异性
进一步改进和完善代谢组学技术，提高检测灵敏度和特异性，是未 来研究的重要方向之一。
代谢组学研究的新方法与新技术
代谢组学研究的新方法
随着技术的不断发展，代谢组学研究的方法也在不断更新。近年来，新的研究方法如基于质谱的代谢组学、核磁 共振代谢组学和代谢组学数据分析方法等得到了广泛应用。这些新方法提高了代谢组学研究的灵敏度、特异性和 可重复性，为代谢组学研究提供了更可靠的工具。
代谢组学研究的新技术
代谢组学在个体化医疗和精准医学方 面具有广阔的应用前景。通过对个体 代谢产物的差异进行分析，可以为个 体化医疗和精准医学提供更准确的诊 断和治疗方案。
代谢组学与其他领域的交叉研究
营养学与代谢组学
营养学与代谢组学的交叉研究对于了解营养物质在生物体内的代谢过程和作用机制具有重要意义。通 过代谢组学的研究，可以深入了解不同营养物质对生物体代谢的影响，为营养学提供更科学的基础。
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代谢组学的研究方法
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代谢产物分析4个层次
代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。 代谢轮廓分析。对预设组分的分析。 代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。 代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。
真正意义的代谢组学研究。 预处理和检测技术需满足高 灵敏度、高选择性和高通量 的要求。需要对获得的数据 进行解析。
代谢组学的研究方法 和研究流程
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主要内容
n 定义 n 概述 n 特点 n 研究方法 n 研究流程
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定义
代谢组学（metabonomics）是指通过组群指标分析， 进行高通量检测和数据处理，研究生物体整体或 组织细胞系统的动态代谢变化，特别是对内源代 谢、遗传变异、环境变化乃至各种物质进入代谢 系统的特征和影响的学科。
n 其样品主要是动植物的细胞和组织的提取液。
n 主要技术手段是核磁共振（NMR）、质谱（MS）、色谱 （HPLC，GC），其中以NMR为主
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特点
1. 关注内源化合物
2. 对生物体系的小 分子化合物进行 定量定性研究
3. 上述化合物的上 调和下调指示了 与疾病、毒性、 基因修饰或环境 因子的影响
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目前最常用的分离分析手段是： 气相色谱与质谱联用(GC—MS) 液相色谱与质谱联用(LC—MS) 毛细管电泳与质谱联用(CE—MS) 核磁共振(NMR)
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GC-MS
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气相色谱原理:气相色谱的流动向为惰性气体，
气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂 作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后， 由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时 间后，各组分在色谱柱中的运行速度也就不同。吸 附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱进 入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下 来，因此最后离开色谱柱。如此，各组分得以在色 谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录 下来。
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概述
n 代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体 内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的 相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。
n 其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。
n 先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是 代谢组学研究的基本方法。
Mass Selective Detector
MS
Mass Spectrometer
A B C D
Identification
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n 优点：集色谱法的高分离能力和质谱法的结构鉴 定能力于一体 ， 灵敏度高，可检测到大量低含量 的小分子代谢产物。
n 缺点：无法分析热不稳定性的物质和分子量较大 的代谢产物。
磁场的比值0 / B0 = / (2 )
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n 优点：能够对样 品实现非破坏性、 非选择性分析。 它是唯一既能定 性, 又能在微摩 尔范围定量有机
化合物的技术。
n 缺点：灵敏度相 对较低, 不适合 分析低浓度代谢
物。
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代谢组学的研究流程
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代谢组学研究流程
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GC-MS的基本流路图
GC
接口
MS
真空系统
数据处理
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GC-MS联用仪器
1.0 DEG/MIN
Sample
AD CB
AC
DB
HEWLETT PACKARD
5890
Gas Chromatograph (GC)
B
A
CD
Sample
Separation
HEWLETT 5972A PACKARD
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NMR
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核磁共振 基本原理：
当以射频照射外 磁场中的自旋核， 且射频的能量正 好等于核磁矩不 同取向的能级差 时，低能级的核 将吸收射频跃迁
致高能态 — 核 磁共振现象。
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n 共振条件：
(1) 核有自旋(磁 性核) (2)外磁场,能级裂 分;
(3)照射频率与外
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代谢组学各分析流程技术
样品的提取
自动进样 样品预处理
化合物的分离
检测及鉴定
数据分析与可 视化，建模与 仿真
固相微萃取 固相萃取 亲和色谱
气相色谱 液相色谱 毛细管电泳
光谱 质谱 核磁共振 电化学
生物信息学 化学信息学 化学计量学 计算生物学
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代谢组学的研究流程
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质谱原理:质谱分析是一种测量离子荷质比
（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理 是使试 样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质 比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成 离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再 利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们 分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。