代谢组学

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代谢组学定义
代谢组学（ 代谢组学（Metabonomics/ Metabolomics ）： 通过考察生物体系（细胞、 或生物体） 通过考察生物体系（细胞、组织 或生物体）受 刺激或扰动后 刺激或扰动后（如将某个特定的基因变异或环境 变化后）， 代谢产物的变化或其随时间的变化， ），其 变化后），其代谢产物的变化或其随时间的变化， 来研究生物体系的一门科学。 来研究生物体系的一门科学。 代谢组（metabolome） 代谢组（metabolome）：基因组的下游产物也是 最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、 最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、维持生 物体正常生长功能 和生长发育的小分子化合物 的集合，主要是相对分子量小于1000的内源性小 分子量小于1000 的集合，主要是相对分子量小于1000的内源性小 分子。 分子。 代谢物数量因物种不同而差异较大： 代谢物数量因物种不同而差异较大： 植物（ 000种）、动物 2500种）、微生物 动物（ 植物（200 000种）、动物（2500种）、微生物 1500种 （1500种）
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代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近发展 起来的一门学科， 系统生物学的重要组成部分 的重要组成部分。 起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分。 基因组学和蛋白质组学分别从基因和蛋白质层面探 寻生命的活动，而实际上细胞内许多生命活动是发 寻生命的活动，而实际上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， 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。 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） 代谢组学正是研究代谢组（metabolome）——在某 在某 一时刻细胞内所有代谢物的集合 细胞内所有代谢物的集合——的一门学科。 的一门学科。 一时刻细胞内所有代谢物的集合 的一门学科 基因与蛋白质的表达紧密相连， 基因与蛋白质的表达紧密相连，而代谢物则更多地 反映了细胞所处的环境，这又与细胞的营养状态， 反映了细胞所处的环境，这又与细胞的营养状态， 药物和环境污染物的作用， 药物和环境污染物的作用，以及其它外界因素的影 响密切相关。 响密切相关。
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转录组学和蛋白组学的局限性： 转录组学和蛋白组学的局限性：
–转录组学或蛋白组学上的变化不总能反映基因 转录组学或蛋白组学上的变化不总能反映基因 变更时在生化层面的表现型的改变 表现型的改变。 变更时在生化层面的表现型的改变。 –现代技术对于转录组学和蛋白组学中mRNA以及 现代技术对于转录组学和蛋白组学中mRNA 现代技术对于转录组学和蛋白组学中mRNA以及 蛋白质的识别是通过已知数据库进行序列比对 蛋白质的识别是通过已知数据库进行序列比对 的识别是通过已知数据库 的来实现的，因此识别和对比过程是间接的 的来实现的，因此识别和对比过程是间接的。 间接 –如果在缺乏某mRNA或蛋白质的数据信息时，以 如果在缺乏某mRNA或蛋白质的数据信息时， 如果在缺乏某mRNA或蛋白质的数据信息时 上的两种组学就只能为人们提供少量的信息。 上的两种组学就只能为人们提供少量的信息。
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代谢组学的发展
• 最早起源于代谢轮廓分析（Metabolic profiling）。早 最早起源于代谢轮廓分析（ profiling）。 ）。早 代谢轮廓分析 在二十世纪七十年代，Baylor药学院就已经提出并发表了 在二十世纪七十年代，Baylor药学院就已经提出并发表了 代谢轮廓分析的理论。 代谢轮廓分析的理论。 • 1975年，Thompson 和Markey利用气相色谱和质谱在代谢 1975年 Markey利用气相色谱和质谱在代谢 轮廓分析的定量方面取得了较大进展； 轮廓分析的定量方面取得了较大进展；二十世纪七十年代 末期这种方法得到了广泛认同；；八十年代早期应用HPLC ；；八十年代早期应用 末期这种方法得到了广泛认同；；八十年代早期应用HPLC NMR来对代谢物进行分析 来对代谢物进行分析。 和NMR来对代谢物进行分析。 • 1986年，Joumal of Chromatography A出版了一期关于 1986年 A出版了一期关于 代谢轮廓分析的专辑。 代谢轮廓分析的专辑。 • 随着基因组学的提出和迅速发展，Oliver于1997年提出了 随着基因组学的提出和迅速发展，Oliver于1997年提出了 代谢组学（metabolomics）的概念， 代谢组学（metabolomics）的概念，之后很多植物化学家 开展了这方面的研究； 开展了这方面的研究； • 1999年Jeremy K. Nicholson等人提出metabonomics的概 1999年 Nicholson等人提出metabonomics的概 等人提出metabonomics 念。
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代谢组学的发展
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代谢产物的分析层次
将对生物体系的代谢产物分析分为4个层次： Oliver Fiehn 将对生物体系的代谢产物分析分为4个层次： • 1）代谢物靶标分析（Metabolite target analysis）： analysis）： 代谢物靶标分析（ 某个或某几个特定组分的分析； 某个或某几个特定组分的分析； • 2）代谢轮廓分析（Metabolic profiling）：少数预设的 profiling）： ）：少数预设的 代谢轮廓分析（ 一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、 一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、性质相关的化 合物或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； 志性组分； • 3）代谢组学（Metabolomics）：限定条件下的特定生物 代谢组学（Metabolomics）：限定条件下的特定生物 ）： 样品中所有代谢组分的定性和定量； 样品中所有代谢组分的定性和定量； • 4）代谢物指纹分析（Metabolic fingerprinting）：不 fingerprinting）： ）：不 代谢物指纹分析（ 分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类（ 分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类（如表 型的快速鉴定）； 型的快速鉴定）；
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代谢组是指一个细胞、 代谢组是指一个细胞、组织或器官中所有代谢物 的集合, 包含一系列不同化学型的分子, 比如肽 的集合, 包含一系列不同化学型的分子, 比如肽、 碳水化合物、脂类、核酸以及异源物质的催化产 碳水化合物、脂类、核酸以及异源物质的催化产 物等。代谢组学来源于代谢组一词, 物等。代谢组学来源于代谢组一词,是研究一个 细胞、 细胞、组织或器官中所有小分子代谢组分集合的 科学。 科学。 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。代谢组学分析可以指示细胞、 所有代谢物的含量。代谢组学分析可以指示细胞、 组织或器官的生化状态, 组织或器官的生化状态, 协助阐释新基因或未知 功能基因的功能, 功能基因的功能, 并且可以揭示生物各代谢网络 间的关联性, 帮助人们更系统地认识生物体。 间的关联性, 帮助人们更系统地认识生物体。
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测序技术的进步， 测序技术的进步 ， 大规模基因组测序成为可能 genomics 表达序列标签EST 、 微阵列、 表达序列标签 EST、微阵列 、 基因表达连续分析 EST SAGE，转录组学transcriptomics SAGE，转录组学transcriptomics 生物体系中所有蛋白及其功能的蛋白组学 proteomics 研究代谢产物的变化和代谢途径的代谢组学 metabolomics
Metabolomics
生物化学与分子生物学系
陈瑜
目
录
什么是代谢组学 ? 代谢组学主要研究技术 代谢组学应用
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系 统 生 物 学
Gene
- mRNA - Protein - >> Metabolite
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结构基因组学：研究生物系统的基因结构组成， 结构基因组学：研究生物系统的基因结构组成， 即DNA的序列及其表达 。 DNA的序列及其表达 蛋白组学：研究由生物系统表达的蛋白质及由 蛋白组学： 外部刺激引起的差异 。 代谢组学：研究生物体系（细胞，组织或生物 代谢组学：研究生物体系（细胞， 体）受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化， 受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化， 是结构基因组学和蛋白组学的延伸 。
of
Nicholson, et al.: Multi1984 component analysis of
spectra data from rat urine
Nicholson and Wilson:
NMR spectroscopy of biofluids
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• 基因组的变化不一定能够得到表达，从而并不 基因组的变化不一定能够得到表达， 一定对系统产生影响； 一定对系统产生影响； • 某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高， 某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高， 但由于这个蛋白可能不具备活性， 但由于这个蛋白可能不具备活性，从而也不对 系统产生影响； 系统产生影响； • 由于基因或蛋白的功能补偿作用，某个基因或 由于基因或蛋白的功能补偿作用， 功能补偿作用 蛋白的缺失会由于其他基因或蛋白的存在而得 到补偿，最后反应的净结果为零； 到补偿，最后反应的净结果为零； • 小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终 结果，它能够更准确的反映生物体系的状态 更准确的反映生物体系的状态。 结果，它能够更准确的反映生物体系的状态。
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与转录组学和蛋白质组学比较， 与转录组学和蛋白质组学比较，代谢组学专门研 究生物体系受外部刺激后所产生的所有代谢产物 的变化，能够更准确地反映生物体系的状态，且 的变化，能够更准确地反映生物体系的状态， 位于系统生物学的最下游 系统生物学的最下游， 位于系统生物学的最下游，是生物体系整体功能 或状态最终结果的表现。 或状态最终结果的表现。 因此有人认为， 因此有人认为，“基因组学和蛋白质组学告诉你 什么可能会发生，而代谢组学则告诉你什么确实 什么可能会发生， 发生了。”（Bill Lasley, UC Davis Davis） 发生了。