代谢组学方法及其研究进展(re)
细胞代谢组学研究及应用进展
细胞代谢组学研究及应用进展【关键词】细胞代谢组学；研究方法与应用；综述【摘要】细胞代谢组学作为代谢组学研究的一个新兴的方向，在病原体感染、肿瘤研究、药物作用机制及药物研发、毒性评价等多个领域都有所应用。
可解决基本的生物学问题，并允许观察细胞内的代谢现象。
现简要综述细胞代谢组学的主要研究方法及其应用方面的研究进展。
1.细胞代谢组学的研究方法细胞代谢组学实验一般可分为几个步骤：细胞增生培养或刺激、淬灭、代谢物提取、样品检测和数据处理。
1.1细胞淬灭细胞淬灭是指快速使细胞内的酶失活，阻止代谢物变化。
理想的淬灭技术应在不损害细胞、不造成细胞内代谢物泄漏的前提下确保胞内酶迅速失活。
Hounoum等考察3种细胞淬灭方式对NSC-34鼠神经元细胞的影响，分别为-40℃甲醇淬灭、-20℃甲醇淬灭及迅速冻存于-80℃后加入4℃甲醇淬灭。
实验结果显示-40℃甲醇是用于该细胞最为理想的淬灭方式；有研究发现甲醇会破坏细胞膜结构，从而导致无法控制的细胞内代谢物泄漏，故常在甲醇中加入缓冲液如HEPES及AMBIC以维持离子强度，避免渗透冲击。
而对于贴壁细胞，液氮冷冻被是停止其酶活性的最佳方法，Zhao等比较了液氮和75%甲醇（-80℃)2种溶液对副溶血性弧菌细胞的淬灭效果，结果发现75%甲醇（-80℃）淬灭时，细胞发生代谢物泄漏；液氮淬灭速度快，且不存在代谢物泄漏问题。
1.2代谢物提取代谢物具有不同的化学和物理性质，如大小、质量、极性、溶解性等，而细胞代谢组学要求找到一种合适的提取方式，尽可能多地把胞内所有代谢物定量提取出来。
因此，提取方法应该有效而没有选择性和破坏性。
提取过程应有效地从细胞中释放代谢物，避免潜在干扰，确保最小代谢物损失。
胞内代谢物通常单独用有机溶剂，或与水结合，或与其他有机溶剂结合，在不同温度条件下提取。
经典的酸性和碱性提取剂也可分别用来提取对酸、碱稳定的化合物。
对于悬浮细胞，常用含水甲醇、含水乙腈或纯甲。
代谢组学的研究方法和研究流程-PPT
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• 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。
• 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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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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2024/1/3
代谢组学的研究流程
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结束
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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。
2024/1/3
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。
Mass Selective Detector
MS
Mass Spectrometer
A B C D
Identification
• 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。
• 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。
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代谢组学研究进展
代谢组学研究进展代谢组学是一门比较新的研究领域，它是在代谢物分析的基础上，利用生物信息学、系统生物学等方法研究代谢物的组成、变化规律及其与生理生化以及疾病等方面的关系。
在医学、生物技术、药物设计等领域中有着广泛的应用。
本文将简要介绍代谢组学的研究内容、技术手段以及进展情况。
代谢组学研究内容代谢组学的核心是研究代谢物，代谢物是细胞、组织或生物体内生物化学反应过程中产生的化学物质。
代谢组学主要研究代谢物在生理、病理以及环境相关因素下的变化规律，通过对代谢物的研究，揭示在不同生理状态下细胞的代谢活动和各种疾病的代谢紊乱机理，为检测、诊断、治疗、预防等方面的应用提供更加深入的理解。
代谢组学技术手段代谢组学技术手段有很多种，其中包括质谱法、核磁共振技术、色谱法、电泳法等。
其中，质谱法应用最为广泛，具有灵敏度高、精度高、分析速度快等优点，能够分析定量多种代谢物分子，不同代谢物之间的相关性，对大规模代谢组数据的处理和分析提供支持。
代谢组学在科学研究和临床实践中有广泛应用。
下文将从代谢组学在环境毒理学、代谢性疾病、肿瘤分子机制等领域的应用方面着重介绍。
1. 代谢组学在环境毒理学中的应用环境污染物对人类健康产生的影响是不可忽视的。
代谢组学可以对人类暴露于环境污染物后的内部代谢物的变化规律进行研究。
通过代谢组学的研究，可以揭示全身代谢系统在暴露于环境污染物后的代谢途径及代谢产物的分布，进一步探讨其毒性机制，为环境毒理学的研究和防治提供重要科学依据。
2. 代谢组学在代谢性疾病中的应用代谢物水平的变化与各种代谢性疾病如糖尿病、脂质代谢紊乱、肥胖症等紧密相关，代谢组学在这些疾病的研究中也扮演着重要角色。
利用代谢组学技术，可以对疾病代谢物谱系中的代谢物组成和变化规律进行快速、全面的分析，探索代谢物谱系与代谢疾病的发生和发展之间的关系，为疾病发生机制的研究提供了新的途径。
3. 代谢组学在肿瘤分子机制中的应用肿瘤代谢变化是肿瘤发生与发展中的一个重要角色，代谢组学研究也逐渐成为肿瘤研究的一个热点。
代谢组学研究进展
代谢组学研究进展代谢组学是研究生物体内大量小分子代谢产物（代谢物）的研究领域，是生物系统学的一个重要组成部分。
随着技术的不断进步，代谢组学在生物医学研究、疾病诊断、药物开发和环境监测等方面起到越来越重要的作用。
本文将就代谢组学研究进展进行探讨。
首先是代谢组学的技术进展。
随着质谱技术、核磁共振技术以及分子生物学技术的不断发展，代谢组学研究的实验手段得以不断提高。
质谱技术主要包括质谱仪的改进与发展，可以基于液相色谱、气相色谱和毛细管电泳等技术手段进行代谢物的分析与鉴定。
核磁共振技术可以提供代谢物的结构信息，通过分析代谢物的谱图可以推测其代谢产生途径与代谢通路。
此外，分子生物学技术如基因芯片与转录组学的发展，也可与代谢组学结合，从而揭示代谢物的转录水平与代谢调控的关系。
其次是代谢组学在生物医学研究中的应用。
代谢组学可为疾病的早期诊断与预测提供依据。
通过与正常人群进行代谢谱分析，可以获取与特定疾病相关的代谢物指纹。
例如，在癌症研究中，代谢组学可以发现潜在的生物标志物，用于癌症的早期诊断与治疗监测。
此外，代谢组学还可以研究药物在体内的代谢与作用机制，以及演化与环境因素对代谢的影响。
第三，代谢组学在药物开发中的应用。
药物代谢组学是一项重要的工具，用于研究药物在体内的转化与代谢通路。
通过代谢组学的研究，可以了解药物的生物活性与代谢反应之间的关系，从而优化药物设计与研发策略。
此外，药物代谢组学还可以为个体化用药提供依据，根据个体的代谢物谱分析结果，调整药物的剂量与给药方案，提高治疗效果与减少不良反应。
最后，代谢组学还应用于环境监测领域。
通过对不同环境样品中的代谢产物进行分析，可以评估环境的毒性与健康风险。
例如，通过代谢组学分析水体或土壤中的代谢物谱，可以评估其中可能存在的有害污染物，并指导环境管理与污染治理措施的制定。
综上所述，代谢组学在生物医学研究、药物开发和环境监测等领域都有广泛应用。
未来，随着技术的不断进步与代谢组学研究的深入，我们将能够更好地了解代谢物之间的相互关系，发现新的生物标志物，并加深对代谢调控机制的理解。
代谢组学研究的最新进展
代谢组学研究的最新进展近年来，代谢组学研究成为了生命科学领域中备受关注的新兴研究领域。
代谢物组成是细胞、组织和生物体内最基本的生物化学过程之一，它涉及到生物体对能量、物质和信息的处理、转化和调控等过程，在生物学、医学和营养学等方面具有广泛的应用前景。
本文将综述代谢组学研究的最新进展和成果。
一、代谢组学研究的基础代谢组学研究的核心技术是代谢组分析，它是以质谱和核磁共振（NMR）等技术为基础，对生物体内代谢物进行高通量和高灵敏度的检测和定量。
代谢组分析能够同时检测和鉴定数千种代谢物，为代谢组和生物体系研究提供重要技术支持。
代谢组学研究需要结合生物信息学、统计学和化学等多学科交叉，需要对代谢组分析数据进行预处理、质量控制、统计分析、生信注释和数据挖掘等工作。
随着计算机技术的飞速发展，代谢组学研究在数据采集和分析方面的技术不断提升，为代谢组学研究提供了更广阔的发展空间。
二、代谢组学研究的应用1、代谢组学在疾病诊断和治疗方面的应用代谢组学作为一种高通量代谢物组分析技术，在疾病的早期诊断、研究和治疗中具有很大的应用潜力。
例如，代谢组分析可以在个体水平检测临床标志物，帮助医生更准确地诊断和区分不同类型的疾病。
代谢组学可以在糖尿病、肝癌、冠心病、乳腺癌等疾病的早期诊断中发挥重要作用。
此外，代谢组学还可以用于分析药物代谢和毒性，帮助药物研发公司更好地评估药物的药效和安全性。
代谢组学在肝脏病理、肾脏病理、神经退行性疾病和肿瘤等领域的研究中也发挥着越来越重要的作用。
2、代谢组学在营养与健康领域的应用代谢组学作为一种研究营养与健康的新兴技术，可以帮助人们更好地了解人体代谢在不同生命状态下的情况。
代谢组学可以评估人体的营养状态，揭示营养素代谢途径和相关代谢物，为人们提供更科学和个性化的营养指导。
代谢组学还可以用于分析食物中的代谢产物，探索食物与健康之间的关系。
代谢组学在营养与健康领域的最新研究成果表明，食物中的特定代谢物（如白藜芦醇、咖啡因等）能够与健康相关联，提供了关于人类健康更深刻的认识。
代谢组学技术在药物研究中的应用与进展
代谢组学技术在药物研究中的应用与进展药物研发是一项非常复杂的工作，需要不断地进行试验和验证。
代谢组学技术作为一种新兴的技术，可以广泛应用于药物研究中，成为了药物研发领域的重要手段。
本文就代谢组学技术在药物研究中的应用与进展进行探讨。
一、代谢组学技术的概述代谢组学技术是使用高通量的分析手段，对体内代谢产物的种类和量进行定量和分析，并研究代谢产物在不同生物体系中的变化。
代谢组学技术包括代谢物谱学、代谢产物型谱学、代谢物组学等多个学科的交叉融合。
这些技术都是通过分析组织、血清、尿液、唾液等生物样本中的代谢产物，来了解生物代谢系统的状态和调节机制，为药物研发提供关键的信息。
二、代谢组学技术在药物研究中的应用1. 药代动力学研究药代动力学研究旨在了解药物在体内的吸收、分布、代谢、排泄的过程，以及药物在体内的生物利用度、副作用等问题。
现在，代谢组学技术已被广泛应用到药代动力学研究中，可以对药物代谢的动态过程进行有效的监测，帮助研发人员确定药物的剂量和给药方案，减少药物的不良反应和副作用。
2. 新药筛选和评估新药筛选是药物研发过程中的重要环节之一。
代谢组学技术可以通过定量分析体内代谢产物的种类和量，了解新药所引起的代谢变化，发掘新药的代谢途径和可能的不良反应，从而评估新药的有效性和安全性，加速新药的研发过程。
3. 疾病诊断和监测代谢组学技术在疾病诊断和监测中也有广泛的应用。
不同的疾病会引起不同的代谢变化，代谢组学技术可以通过分析生物样本中代谢产物的种类和量，来评估疾病患者体内的代谢差异。
这种方法可以避免传统诊断技术的不足，为疾病的诊断和监测提供了更多的有效手段。
三、代谢组学技术在药物研究中的进展随着代谢组学技术的不断发展，药物研发领域对代谢组学技术的需求也越来越大，代谢组学技术在药物研究中的应用也越来越广泛。
在未来的发展过程中，代谢组学技术还将面临以下几个问题：1. 技术标准化代谢组学技术是一种多学科交叉融合的技术，不同的实验室、不同的研究群体使用的技术和方法并不相同。
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。
生命科学中的代谢研究进展
生命科学中的代谢研究进展代谢是指生物体内发生的各种化学反应，包括能量产生、物质合成和分解等过程。
代谢的研究是生命科学的重要领域之一。
随着科技的不断进步，代谢研究方面也出现了一系列新的进展，这些进展不仅有助于深入了解生物体内代谢过程的机制，还能为药物研发和疾病治疗提供重要的指导意义。
1. 代谢组学的快速发展代谢组学是一种通过全面分析生物体内代谢产物的手段，来了解生态与生理等方面的生物信息学领域。
代谢组学通过测量生物组织、血液和其他体液中代谢产物的变化平台进行诊断和治疗研究。
近年来，代谢组学研究得到了极大的发展和进步。
一方面，随着质谱仪和核磁共振仪等科技的发展，代谢物谱图谱可以快速获得，并能很好地定量分析。
另一方面，随着数据挖掘和计算分析的进步，可以快速从大量数据中提取代谢物的共性和差异性，并进行归类分析和研究。
2. 代谢物的精准测定和可视化代谢物的精准测定是代谢研究的基础。
传统的代谢物分析方法主要采用高效液相和气相色谱等方法，但这些方法仅能检测到部分化合物。
而近年来，新兴的代谢物分析技术如中高分辨质谱仪、双源冷喷雾电离技术等的问世，使代谢物的测定更加精准，特别是对于微量代谢物的检测。
此外，代谢物的可视化也是代谢研究中的重要进展。
代谢物图谱、代谢通路图等可视化图表使复杂的代谢反应变得简单明了，为代谢研究提供了极大的帮助。
3. 代谢与疾病的关联研究代谢研究与疾病的关系日益密切。
生物体内代谢过程的变化，不仅会影响生物体内各种生理活动，还与多个疾病的产生和发展有关。
代谢组学技术的发展，使代谢与疾病的关联研究成为可能。
例如，代谢组学研究表明，糖尿病患者血液中代谢物的模式与健康人存在差异。
研究发现，在糖尿病患者中，酮体、异谷胱甘肽、尿酸等代谢物的含量明显升高，而一些氨基酸和雌激素等物质的含量下降。
这些研究结果为糖尿病的诊断、治疗和预防提供了极大的帮助。
4. 代谢与药物的相关研究药物的代谢过程是众所周知的重要环节。
代谢组学研究进展
代谢组学研究进展代谢组学是一种研究生物体内代谢物的综合性科学方法，主要通过测量和分析生物体内代谢物的种类和相对含量来了解生物体代谢的状态和变化。
随着技术的发展，代谢组学在生物医学、农业、食品科学等领域取得了许多重要进展。
首先，代谢组学在生物医学研究中发挥着重要作用。
代谢组学可用于研究疾病的发病机制、诊断、治疗以及药物研发。
通过比较病理状态和正常状态下的代谢物谱，可以发现病态代谢的特征，从而有助于早期诊断和治疗。
代谢组学在肿瘤学研究中也有着广泛应用，可以通过代谢物的变化来了解癌症的发展和转移过程，并寻找特征性的代谢指标，为肿瘤的早期诊断和治疗提供依据。
其次，代谢组学在农业研究中也有着重要的应用。
代谢组学可以用来研究作物的营养需求、抗逆性和品质特性等。
通过代谢物分析，可以了解不同品种或基因型之间的代谢差异，并找到影响作物产量和品质的关键代谢途径。
此外，代谢组学还可以用于检测农产品中的残留农药和化学物质，保障食品安全。
另外，代谢组学在食品科学中也有着广泛应用。
通过代谢组学研究，可以鉴定食品中的活性成分和营养物质，了解其生物学功能和与健康之间的关系。
此外，代谢组学还可以应用于食品加工和储存过程中的品质控制。
通过分析食品中代谢物的变化，可以评估食品的新鲜度、鉴定可能导致品质变化的代谢途径，并提出改进措施。
最后，代谢组学在环境科学研究中也有着重要的应用。
代谢组学可以用于研究生物体对环境污染物的响应和代谢途径的变化。
通过分析代谢物的变化，可以研究生物体对环境污染物的适应机制，并评估环境的健康状况。
此外，代谢组学还可以用于环境污染物的监测和评估，为环境保护提供科学依据。
总之，代谢组学在各个领域的研究中都取得了重要的进展。
随着技术的不断发展，代谢组学将在未来发挥更加重要的作用，为人类健康、农业生产、食品安全和环境保护等领域提供更多的科学支持。
植物代谢组学的研究方法与进展
植物代谢组学的研究方法与进展植物代谢组学是一种较新的研究领域，其主要研究对象是植物代谢组。
通过代谢组学的方法和技术，可以全面理解植物生长发育、逆境响应等生物过程中体内的代谢物及其相互作用关系。
目前，植物代谢组学已经成为植物生物学和农业生产领域的研究热点。
本文将从代谢组学的定义、代谢组分析的方法与技术、代谢组学在生物学领域中的应用等方面展开论述，深入探讨植物代谢组学的研究方法与进展。
一、代谢组学的定义代谢组学定义为代谢谱分析，是一种通过测定生物体内代谢物的方法来研究代谢组的科学。
代谢指的是细胞和生物体产生的化学反应，可以分为两类：一类是物质合成，如凝固素的合成和修饰过程；另一类是分解反应，如丙酮酸代谢为乳酸或乙醇的过程。
代谢组学是一种全面研究生物代谢物谱的方法，通过利用高通量技术，大大提高代谢物多组分的检测速度和准确度，从而实现对代谢组的全面研究，揭示生物体内复杂的代谢过程。
近年来，随着技术的不断更新和发展，代谢组学也得以快速发展，尤其是在植物学领域中，代谢组学正在越来越广泛地应用于植物代谢物分析和代谢引导物筛选。
二、代谢组分析的方法与技术1.色谱色谱技术广泛应用于代谢组学研究中，主要有气相色谱(GC)和液相色谱(LC)两种方法。
气相色谱主要作为在线色谱技术扩展其分析能力，它可与多种检测技术组合使用，包括质谱检测、红外检测、光电离检测等，同时也具有局限性，如脂质物质检测能力差等。
液相色谱则主要通过逆相高效液相色谱(HPLC)和超高效液相色谱(UPLC)等方法实现。
一些针对植物代谢物特性和选择性分析的方法，如氢氯酸胍衍生法和Dansylation法等，也被广泛使用。
2.质谱质谱技术是代谢组学分析中的主流技术之一，可以对纯化的代谢物或复杂的代谢谱进行高分辨率测量，进而确定代谢物的结构。
质谱技术的种类较多，包括四极杆质谱、飞行时间质谱、电离阱质谱等。
其中，飞行时间质谱普遍使用于较大的代谢物谱研究，而四极杆质谱是针对代谢物进行小分子谱分析的一种常用技术。
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代谢产物的分 离、检测、鉴定
数据分析 与模型建立
代谢组学的研究方法
研究对象 单个细胞或细胞类 对生物体液和组织进行系统测量和分 型中所有的小分子 析,研究完整的生物体中代谢物随时 成分和波动规律 间改变的情况,确定生物标志物 根据不同的分析方法 采取不同的样品制备方法 GC, LC, CE - MS NMR
代谢组学的应用（3）
（3）农业和食品领域：
代谢组学技术通过促进植物基因功能组学的研究工作, 来加快农作物 加快农作物 品质改良的进程。 品质改良的进程 通过比较转基因生物和其野生型在代谢产物方面的差别, 来对转基因 对转基因 生物及其食品进行安全性评估。Roesnner 生物及其食品进行安全性评估 Roesnner 等人利用代谢组分析技术 对转基因植物进行了研究, 他们利用GS/ MS 分析技术对马铃薯块茎中 150 种化合物进行了定量和定质分析, 确定了过度表达葡萄糖激酶、 葡萄糖磷酸酶等不同基因之转基因植株的生物化学表现型。
什么是代谢组学？
“代谢组学” = “代谢” + “组 学”
基因组学 genomics
DNA
转录组学 transcriptomics
mRNA
蛋白质组学 proteomics
Pr
代谢组学
研究一个细胞、组织或器官中,所有……的一门科学！
代谢组学的定义
代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中, 所有代谢组分的集合,尤其指小分子物质”,而代 谢组学则是一门“在新陈代谢的动态进程中,系 统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。它所关注的是相对分子质 量为1,000以下的小分子。
数据分析方法和模型建立（4）
（4）数据库及专家系统 现实情况下，代谢组学的数据是非常复杂的，特别是对病理生 对病理生 理过程的研究，预将代谢物的表达谱与时间相联系，则需要借助复杂 理过程的研究，预将代谢物的表达谱与时间相联系 复杂 的模型或是专家系统进行分析。 的模型或是专家系统 为了将基于NMR 的代谢组学用于药物的毒性筛选,伦敦大学的 皇家科学院实验室和Pfizer 等6 家制药公司于2001 年1 月启动了一个 为期3 年的关于药物毒性研究的研究小组(COMET) ,拟在药物的发现 到开发阶段用代谢组学的方法来评价药物的毒性,以缩短药物开发的时 间,减少损失,并试图建立一个用于药物毒性预测 预测的专家系统。该专家 预测 系统分为3 个独立的级别:正常/ 异常的判别、对未知样本进行数据库 中已知毒性或疾病的识别、病理学的生物标记物的识别。
1989年，Gartland等根据药物造成的靶器官(如肝、肾皮层或髓质毒) 损伤及程度分组，利用1HNMR对尿液进行分析，结合主成分分析 ( PCA) ，建立相应的毒理学研究模型 帮助判断新药的毒副作用与程 建立相应的毒理学研究模型,帮助判断新药的毒副作用与程 建立相应的毒理学研究模型 以及量效与时效关系。 度,以及量效与时效关系。Holmes等研究了HgCl2 (损伤近端肾小管) 以及量效与时效关系 和乙基溴(损伤肾髓质)两组肾损伤模型,观察了9天1H NMR谱的演变 情况。在肾损伤进展及恢复的过程中,尿中20种代谢物发生的改变,与 组织学的改变相一致，并存在规律性的时效关系。进一步相关分析的 基础上发现，HgCl2 的损伤是单一的直接损伤、具有可逆性;而乙基 溴则为双重损伤机制(直接损伤加上影响渗透压而造成肾乳头的间接 损伤) 、可逆性差。肝毒性研究方面亦有相类似的研究。 美国食品与药品管理局( FDA)已经接受代谢组学研究的结果作为新药 美国食品与药品管理局 已经接受代谢组学研究的结果作为新药 申报和注册的重要参考指标。代谢组学研究大大缩短了新药安全性研 申报和注册的重要参考指标 究的周期，它能够快速、有效地分析多条代谢通路，帮助定位靶组织 及判定毒副作用程度，寻找相应的生物学标志。主要采用的仍是NMR 技术,包括对各种体液、组织或组织提取液进行分析;在计算机基础上， 发展起来的数据分析模型更是发挥了巨大的推动作用。
（2）生物学研究领域：
作为基因型与表型之间的桥梁, 代谢组学将基因产物和基因关联起来, 作为基因型与表型之间的桥梁 代谢组学将基因产物和基因关联起来 实现基因 功能的鉴定。 功能的鉴定。转基因生物和敲除突变体(knockout mutants) ，往往没有明显的 表型变化。比如拟南芥中就有90 %的突变体是沉默型突变体，人们很难通过表 现型的变化来确定有关基因的功能。而转基因生物和敲除突变体中某些代谢产 物的含量却常常会发生变化。通过代谢产物水平变化的分析 就可以把它们与 通过代谢产物水平变化的分析, 通过代谢产物水平变化的分析 野生型区分开来。 野生型区分开来。 将代谢组学技术与功能基因组学手段相结合，通过代谢产物的变化能成功推断 推断 有关基因的功能。Metanomics 公司的成立就是一个典型的代表，其思想就是 有关基因的功能 遵循代谢组学的研究方法，在改变植物的基因后，进行植物的代谢分析或记录 代谢产物，进而寻找植物代谢过程中的关键基因,如能够让植物耐寒的基因等； Fiehn 研究小组的利用GC/MS 技术,通过对不同表型阿拉伯荠的433 种代谢产 物进行代谢组学分析,结合化学计量学方法(PCA、ANN 和HCA) 对这些植物的 表型进行了分类,找到了4 种在分类中起着重要作用的代谢物质 种在分类中起着重要作用的代谢物质:苹果酸(malic acid) 、柠檬酸、葡萄糖和果糖,结果与线粒体和叶绿体中的基因型结果一致。
数据分析方法和模型建立（5）
代谢组学分析离不开各种代谢途径和生物化学数据库 代谢途径和生物化学数据库。 代谢途径和生物化学数据库 现在主要的数据库有接连图数据库(Connections Map DB) , KEGG, EcoCyc , EcoCyc and metacyc , BRENDA , L IGAND , MetaCyc ,UMBBD , WIT2 , EMP 项目, IRIS , AraCyc ,PathDB , 生物化 学途径( ExPASy) , 互联网主要代谢途径( main metabolic pathways on Internet ,MMP) , Duke 博士植物化学和民族植物学数据库,Arizona 大学 天然产物数据库等, 其中IRIS , AraCyc 分别为水稻和拟南芥的有关数据 库。
数据分析方法和模型建立（3）
（3）有监督(supervised ) 学习方法 这类方法用于建立类别间的数学模型,使各类样品间达到最大的 这类方法用于建立类别间的数学模型 使各类样品间达到最大的 分离,并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测 并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测。 分离 并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测。在这类方法 中,由于建立模型时有可供学习利用的训练样本,所以称为有监督(有师) 学习。在这种方法中经常需要建立用来确认样品归类(防止过拟合) 的 确认集(validation set) 和用来测试模型性能的测试集(test set) 。 应用于该领域的主要是基于PCA、偏最小二乘法(partial least 、偏最小二乘法 应用于该领域的主要是基于 squares, PLS) 、神经网络 neural network ,NN) 的改进方法 常用 神经网络( 的改进方法, 的有SIMCA ( soft independent modeling of class analogy) 和偏最小 偏最小 二乘法显著性分析(PLS－discriminant analysis ,PLS－DA) 。 二乘法显著性分析 作为非线性的模式识别方法,人工神经元网络(ANN)技术也得到广 泛应用。
代谢组学的应用（4）
（4）医药领域：
药物安全性评价 细胞中代谢物和组织中代谢物处于生物体液的动态 平衡，机体中生物体液成分的变化反映了中毒或代谢损害而引起的细 胞功能异常。利用高分辨率的1H NMR 波谱可检测血浆、尿液、胆汁 等生物基质中的具有特殊意义的微量物质的异常成分，而且可以同时 对所有代谢物进行定量分析，且几乎不需要样品的前期准备，对任何 成分都有相同的灵敏度。1H NMR 谱所检测到的生物体液中的内源性 代谢物，完全依赖于动物体内的毒素类型；每一种类型的毒物和药物 都会在生物体液中产生特征的内源代谢物浓度和模式变化，这种特征 提供了毒性作用的机理和作用位置的信息，使先导化合物筛选更有效， 为新药临床前安全性评价提供可靠的技术支持与保障。因此，代谢组 学在毒物药物学的研究中发挥了极其重要的作用。
对比几个基本概念
研究对象 基因组学 genomics
核酸(A、T/U、C、G )
研究方法
以测序为主
转录组学 transcriptomics 蛋白质组学 proteomics 代谢组学
由20个氨基酸构成 代谢产物则以元素组成、 原子排列、立体结构和分 子特征来区分
差异显示、减法杂交、 DNA芯片技术等 同位素亲和标签、2D-MS技术
检测代谢产物的方法各 不相同
基因与蛋白质的表达紧密相连,代谢物则更多地反映了细胞所处的环境。正如 Billy David所言:“基因组学和蛋白质组学告诉你可能发生什么,而代谢组学则告诉你 已经发生了什么” 。
代谢组学研究过程
代谢组学研究过程包括：前期 的样品制备,中期的代谢产物分离、 检测与鉴定以及后期的数据分析与 模型建立三个部分。
代谢组学方法及其研究进展
2005.11.23.
代谢组学的历史
代谢组学的研究可以追溯至上世纪80 年代。 1985 年，英国帝国理工大学教授Nicholson的研究 小组利用核磁共振(NMR)技术分析大鼠的尿液, 并 于1999年,提出了代谢组学的概念。Nicholson教授 也由于其在代谢组学发展中的开拓性的贡献，而被 誉为“国际代谢组学之父”。
样品制备方法 代谢产物分离、 检测与鉴定方法 数据分析与模型 建立方法
归一化与滤噪、非监督学习方法、有监督学习方法、 数据库及专家系统； 模型建立
“Metabolite”+”genomics” metabonomics