代谢组学
he4 代谢组学
代谢组学是研究生物体被扰动后（如基因改变或环境变化），其代谢产物（内源性代谢物质）种类、数量及其变化规律的科学。
具体来说，这门学科着重研究的是生物整体、器官或组织的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或者外在因素的影响及随时间变化的规律。
它采用质谱法来鉴别特定的代谢物，研究对象大多是分子量在1000Da以下的小分子物质，如糖、有机酸、脂质、氨基酸、芳香烃等。
同时，代谢组学与基因组、转录组、蛋白组是系统生物学的重要组成部分，四大组学为我们从微观到宏观层面充分了解一个生命体架起了一座桥梁，解释了生命体从微观DNA分子到分泌小分子代谢物的整个变化过程。
代谢组学ppt课件
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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。
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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
代谢组学在医学中的应用
在临床试验中，代谢组学可以帮助医生对患 者进行更加精确的分组，从而提高试验的准 确性和可靠性。
案例分析：代谢组学在癌症诊断与分型中应用
癌症诊断
癌症分型
癌症治疗监测
代谢组学通过分析癌症患者体液中的 代谢物，可以发现与癌症相关的生物 标志物，如某些特定的氨基酸、糖类 或脂类代谢物，从而实现癌症的早期 诊断。
02
CATALOGUE
疾病诊断与分型
代谢组学在疾病诊断中应用
生物标志物的发现
代谢组学通过分析生物体液（如 血液、尿液等）中的代谢物，可 以发现与特定疾病相关的生物标 志物，为疾病诊断提供依据。
早期诊断
代谢组学能够检测到疾病早期的 代谢变化，有助于实现疾病的早 期诊断，提高治疗效果和患者生 存率。
04
CATALOGUE
营养与健康管理
代谢组学在营养学研究中应用
评估营养状况
通过分析生物体液中的代谢物，代谢组学可以全面评估个 体的营养状况，包括蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素 和矿物质等营养素的摄入、吸收和代谢情况。
揭示营养与健康关系
代谢组学可以揭示营养素与人体健康之间的复杂关系，包 括营养素对基因表达、代谢通路和生理功能的影响，以及 营养素缺乏或过量对健康的潜在危害。
代谢组学发展历程
代谢轮廓分析阶段
早期代谢组学研究主要关注单一或少数代谢产物的变化， 采用色谱、质谱等分析技术对生物样品进行代谢轮廓分析 。
代谢组学概念提出
随着分析技术的进步和生物信息学的发展，代谢组学的概 念逐渐形成，开始关注生物体内所有代谢产物的变化。
代谢组学技术平台建立
近年来，代谢组学技术平台不断完善，包括样品前处理、 数据采集、数据处理与分析等各个环节，为代谢组学研究 的深入开展提供了有力支持。
代谢组学和代谢
代谢组学和代谢
代谢组学是对生物体内所有代谢物进行全面分析的一门学科。
代谢物是细胞代谢过程中产生的小分子化合物，它们反映了生物体的生理状态和病理变化。
代谢组学的研究方法包括质谱分析、核磁共振等技术，可以高通量地检测和鉴定代谢物。
通过对代谢物的定性和定量分析，代谢组学可以提供关于生物体代谢途径、代谢网络和代谢调控的信息。
代谢是生物体维持生命活动的基本过程，包括物质的合成、分解和转化。
代谢途径涉及多种生物化学反应，这些反应受到基因、环境和其他因素的调节。
代谢组学与代谢密切相关。
通过代谢组学的研究，可以揭示不同生物体、组织或细胞在不同条件下的代谢特征和变化。
这对于理解疾病的发生机制、药物的作用机制、生物标志物的发现以及个性化医疗等具有重要意义。
例如，代谢组学可以用于研究疾病状态下代谢物的异常变化，为疾病的诊断和治疗提供线索。
它还可以用于药物研发中，帮助筛选有效的药物靶点和评估药物的安全性和药效。
此外，代谢组学也可以与其他组学技术（如基因组学、转录组学和蛋白质组学）相结合，提供更全面的生物系统信息。
这种多组学整合的研究方法有助于深入理解生物体的复杂生物学过程。
总的来说，代谢组学和代谢的研究相互关联，代谢组学为研究代谢提供了一种高效的手段，而对代谢的深入理解又为代谢组学的应用提供了基础。
它们的结合将为生命科学和医学领域带来更多的研究机遇和创新。
代谢组学
软件：MATLAB version7.10 主成分分析（PCA） 相关性分析：Pearson相关性系数 马尔距离：MD＝
结果与讨论
1H NMR分析 LCMS分析
标准品的NMR和LCMS响应值
样品LCMS-LCMS信号的相关性 生物学样品NMR-LCMS信号的相关性
1H
NMR分析
样品NMR-NMR信号的相关性
将取准后的蕃茄样品NMR信号强度进行相关性分析来
鉴定品系数据矩阵中有相关的NMR信号。 相关系数|r| ≥ 0.8→有相关 1008个NMR谱峰， >30000相关（置信区间α＝3.0%）
理论上不同样品中同一化合物显著相关，如蕃茄样中
的葫芦巴碱（A）、蔗糖（B）、柠檬酸（C）证明这 点。
前言
NMR和LCMS是代谢学研究的常用的技术手段。
将同一样品的NMR和LCMS谱图分析获取的代谢组学数据
统计结合，这就可以了解同一代谢物的光谱及其性质的关 系。
相关性分析是一种统计学方法，可用于建立一生物系统代
谢物信息的相互关系。 在本文中， 利用1H NMR和精确质量液相—四极杆飞行时 间质谱（LS- QTOF-MS）技术分析50种蕃茄栽培品种成熟 果实的代谢谱图。
Thank you
樱桃番茄与牛肉番茄和圆番茄的代谢差异较大，牛肉
番茄和圆番茄的代谢相似
标准品的NMR和LCMS剂量效应
六种标准品在两种方法的计量效应关系。 在NMR中，仪器响应是呈线性关系（所有共振和被测的
代谢物，相关性系数均值为1）。 新型MS检测范围更广，本实验中，其检测响应在母离子 强度达到20000个/扫描时呈线形的
氯原酸不但与其特异异 构体还和其衍生物高度 相关→蕃茄中有一系列 的氯原酸衍生物；可鉴 定复杂混合物中生物化 学高度相关的化合物； 显著（r>0.8）的LCMSLCMS相关不仅在同一代 谢物中还在化学相关的 代谢物中。 氯原酸 II (353 m/z at 14.9 min)—677 m/z at 40.7 min = [三氯原酸 acid 苯丙氨酸 (164 m/z) (341 —165 m/z) m/z —387 = 2nd m/z = [蔗糖 of +HCOOH [phenylalanine H]-, II - H]-, 677 m/z at蔗糖 39.4 min = [三氯原酸 I -isotope H]-, 515 m/z at 30.7 min =H]-, III - H]-, 683m/z =at [蔗糖 蔗糖 - H]-, [二氯原酸 515 m/z 28.6 + min =[二氯原酸 II - H]-, 515 m/z at [phenylalanine - NH3H]684 Im/z = 353 2nd isotope of [ 蔗糖 + 蔗糖 - IH]-, 27.9 147 minm/z= = [二氯原酸 - H]-, m/z at 13.2 min =[ 氯原酸 - H]-. 1,025 m/z= [蔗糖 + 蔗糖 + 蔗糖- H]-
代谢组学工作流程
代谢组学工作流程一、代谢组学是啥呢？代谢组学呀，就像是一个超级侦探，专门去探究生物体内那些小小的代谢物的秘密呢。
代谢物就是生物体内各种化学反应产生的东西啦，像我们吃了东西之后身体里发生了好多好多反应，产生的那些糖啊、脂肪啊之类的就是代谢物。
这个代谢组学就是要把这些代谢物都找出来，看看它们在干啥，数量有多少，有没有什么变化之类的。
这就像是要摸清一个小世界里每个小居民的情况一样，超级有趣也超级复杂呢。
二、样品采集。
说到样品采集呀，这可是第一步呢。
采集什么样品很重要哦。
比如说如果我们想研究人的代谢组学，那可能就会采集血液、尿液或者组织之类的。
采集血液的时候呢，就像护士姐姐给我们抽血一样，要特别小心，用合适的管子把血装起来。
尿液的采集相对来说简单一点啦，但也要注意干净卫生哦。
要是采集组织的话，那可就要更专业的操作了，得找对地方，还要保证取出来的组织不会被污染。
这就像我们去摘水果，要挑最熟最健康的，还不能把它弄坏了呢。
三、样品处理。
采好样品之后，就要进行处理啦。
这个过程就像是给我们的小样品做一个变身魔法。
如果是血液，可能要把里面的血细胞之类的东西分离开，只留下我们感兴趣的那些成分。
对于尿液呢，可能要浓缩一下或者去除一些杂质。
处理组织就更麻烦啦，要把组织破碎，让里面的代谢物都能跑出来。
这个过程就像我们做菜之前要洗菜、切菜一样，要把原料准备好才能进行下一步呢。
四、分析检测。
好啦，样品处理好了就到分析检测这一步啦。
这里面的方法可多了呢。
比如说有液相色谱 - 质谱联用（LC - MS）这种超级厉害的技术。
就像给代谢物安排了一场赛跑比赛，不同的代谢物跑的速度不一样，然后再用质谱给它们称重、认身份。
还有气相色谱 - 质谱联用（GC - MS），这个呢就像是先把代谢物变成气体再让它们跑，然后再识别。
这些技术就像是一个个超级放大镜，能让我们看到那些微小的代谢物到底是什么样子，有多少。
五、数据处理。
分析检测完了之后就会得到好多好多的数据呀。
代谢组的名词解释
代谢组的名词解释
代谢组学的名词解释是利用高通量的技术来鉴定和定量一个细胞、组织或器官中所有小分子或代谢物的生命科学研究。
一、代谢组学分析流程：
1、样本收集。
2、数据采集（NMR/LC-MS/GC-MS获取谱图数据）。
3、谱图——峰表（谱图处理得到特征矩阵）。
4、代谢物定性（谱图数据库与数据集峰位置、相关模式、相对强度等特征相匹配）。
5、差异离子筛选（单变量分析、非监督/监督多变量分析、多元分析、分类模型、候选标志物）。
6、功能分析（Pathway分析、富集分析、相关性网络分析（高斯模型和拓扑结构））。
二、代谢组学研究意义与优势：
1、代谢组的时间响应在所有组学中最快。
2、代谢组的结果易于理解，容易与表型和功能结合。
3、灵敏度高，完全定量，可得到样本中代谢物的浓度。
4、需要购买标准品，进行分析方法的开发、验证，研究成本高。
综上所述：代谢组学名词解释如上，建议注意代谢组学的分析流程。
代谢组学 生物标志物 思路 s-plot
代谢组学是一门研究生物体内代谢物组成和变化的学科，其研究对象包括蛋白质、脂质、核酸等，可应用于生理学、病理学、生物化学等方面。
代谢组学在寻找生物标志物、疾病诊断、药物研发等领域具有广阔的应用前景，已成为生命科学领域的研究热点之一。
一、代谢组学代谢组学是以高通量技术为基础，通过对生物体内代谢物进行定性和定量分析，揭示代谢网络、代谢通路及代谢调控机制的学科。
代谢组学的研究对象包括代谢产物和代谢反应，其结果可用于解释生物体内生理功能、病理状态以及环境影响等。
二、生物标志物生物标志物是指能够指示生物体内某种生理或病理状态的分子或细胞特征。
代谢组学通过对生物体内代谢物的变化进行研究，可以发现并验证潜在的生物标志物，为疾病诊断、预测和治疗提供参考依据。
三、思路代谢组学研究可通过以下思路展开：1. 数据采集：利用高通量技术对生物样本进行代谢物分析，获取丰富的代谢物谱图数据。
2. 数据处理：采用生物信息学和统计学分析方法处理代谢组学数据，筛选出差异代谢物，找到与生理、病理状态相关的生物标志物。
3. 生物标志物验证：通过生物实验验证代谢组学发现的生物标志物，确认其在特定生理或病理状态下的变化规律。
4. 基于生物标志物的应用：将代谢组学发现的生物标志物应用于疾病诊断、预测和药物研发等领域，为临床医学和生命科学研究提供重要参考。
四、S-plotS-plot是一种多变量分析方法，常用于对代谢组学数据进行解释和发现生物标志物。
通过S-plot，可以直观展示代谢物在样本分类中的贡献程度，有助于发现差异代谢物，提高生物标志物的筛选效率。
总结：代谢组学作为一门新兴的生命科学研究领域，通过对生物体内代谢物的研究，为生物标志物的发现和应用提供了新的思路和方法。
在未来，代谢组学将在疾病诊断、治疗及药物研发方面发挥越来越重要的作用，为人类健康事业做出更大的贡献。
代谢组学作为生命科学领域的前沿学科，在生理学、病理学、药物研发等领域具有重要的应用价值。
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6 生物体系的代谢产物分析的四个层次
1) 代谢物靶标分析(Metabolite target analysis) : 对某个或某几个特定组分的 分析; 2) 代谢轮廓/谱分析(Metabolic profiling analysis) :对一系列少数预 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(氨基酸、有机 酸、顺二醇类) 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析;
影响代谢组学分析的主要因素
生物种属:
如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差别较 大;不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒 性的易感性也不同 雄性波峰的变异性明显高于雌性,而前者对药 物及毒物的敏感性也高
性别:
年龄:
在四氯化碳的肝毒性模型研究中, 发现28月龄 的F344大鼠较5月龄的敏感性差;并随年龄增长, 尿液中三羧酸的代谢产物也不同;尿中代谢产 物的组成变化还与个体间的健康状况、遗传差 异性等密切相关。
代谢组学流程包括
样品的采集 预处理 数据的采集 数据的分析及解释
研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台 构成。代谢组学力求分析生物体系(如体液和 细胞) 中的所有代谢产物,所以整个过程中都 强调尽可能的保留和反映总的代谢产物的信息。
1 分析技术平台
代谢组学的研究中最常见的分析工具是 NMR ,特别是¹ H-NMR、13C-NMR、31P-NMR
簇类分析(Hierarchical Cluster Analysis ,HCA) 簇类的独立软模式分类法(Soft In- dependent Modeling of Class Analogy， SIMCA)、PLS-DA (PLSDiscriminant Analysis) 、人工神经网络 (Artificial Neural Network，ANN) 等
局限性
只能对其中的挥发性组分实现直接分析。
LC/MS(/MS) 技术逐渐被广泛地用于代谢 组学的研究中 。LC/MS 采用LC作为其主 要的分离手段,增强了其分辨能力,与MS或 MS/MS的联用可以得到代谢组分的结构信 息。与GC相比,预处理相对简单。
2 数据分析平台
在得到分析对象的原始数据后,首先需要 对各种分析手段得到的原始数据进行处理, 得到可用于代谢组学研究的格式。根据各 种分析手段(NMR , GC/MS , LC/MS/MS)自 身的特点,研究者们开发出了相应的算法 对原始谱图的数据进行提取、峰对齐、去 噪等处理。然后需要对这些数据进行分析, 挖掘隐含于其中的有用信息。
代谢谱分析 (metabolic profi-ling analysis)
NMR对活体内外的非损伤组织、器官进行 研究。以心脏的磷谱研究为例,将预处理 的体外灌流心脏直接置于检测区,持续观 察低氧干预下31PNMR谱峰的改变情况,发现 低氧状况下, P3+和Mg2+的含量增加,并随 低氧的延长而加深、加重。这种分析器官 或组织中某一代谢物或组合随时间变化的 情况,称之为“代谢轮廓分析(metabolic profi-ling analysis)
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)
(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
模式识别技术主要有
模式识别技术主要有非监督和有监督学习 方法两种 非监督(un-supervised) 学习方法
主成分分析( Principal Components Analysis ,PCA)、 非线形映射(Nonlinear Mapping ,NLM)、
有监督(supervi, Journal of Chromatography A 出 版了一期关于Metabolic profiling 的专辑。 90 年代后期,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 ,之后很多植物化学 家开展了这方面的研究.
代谢组学
西安交通大学医学院 遗传学与分子生物学系 李信民 5372009443@
外部或内部刺激
↓
生物系统(机体)
↓
基因→转录→翻译→代谢
↓ ↓ ↓
基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学 数据处理 知识或模型
系统生物学:用系统的观点或方法研究生物体系,以获 得海量数据和生物模型.其特点是不用单一指标描述生 物体的状态,而是用多元数据组进行描述.
将预处理的体液或是组织(根据实验需要,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。
(3)常用的其他一些分析技术
Metabolomics ---Oliver Fiehn
21世纪初
全面定量分析生物体系中的所有代谢产物.
3 代谢组学的发展过程
代谢组学的研究可以追溯至上世纪80年代。
1970s代谢轮廓分析(Metabolic profiling) , Devaux等人于上世纪70 年代提出。 1985年,Nicholson研究小组利用核磁共振 (NMR)技术分析大鼠的尿液,意识到这可能是生 命科学研究的巨大突破.
1999 年Jeremy K. Nicholson 等人提出 metabonomics 的概念,并在疾病诊断、药 物筛选等方面做了大量的卓有成效的工 作 ,使得代谢组学得到了极大的充实,同 时也形成了当前代谢组学的两大主流领域： metabolomics 和metabonomics。
一般认为,metabolomics 是通过考察生物体 系受刺激或扰动后(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, 来研究生物体系的代谢途径的一种技术。 而metabonomics 是生物体对病理生理刺激或 基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化 的研究。前者一般以细胞做研究对象,后者则 更注重动物的体液和组织。
优点
对样品的非破坏性、非选择性分析,满足了代谢 组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标。
缺陷:
灵敏度低 分辨率不高
因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的分析 物。
在植物的代谢组学研究中, 主要采用的技 术为GC（气相色谱）/ MS （质谱）。
优势
能够提供较高的分辨率和检测灵敏度 有可供参考、比较的标准谱图库 ,可以方便地得 到待分析代谢组分的定性结果。
3) 代谢组学(Metabolomics) : 对某一生 物体或细胞在（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; 4) 代谢物指纹分析(Metabolic fingerprinting) :不分离鉴定具体单一组分,而 是对样品进行高通量的快速定性分析。
二 代谢组学的研究方法
4 代谢组学与其他组学关系
基因组学主要研究生物系统的基因结构组 成,即DNA 的序列及表达。 蛋白组学研究由生物系统表达的蛋白及由 外部刺激引起的差异。 代谢组学是研究生物体系(细胞,组织或生 物体)受外部刺激所产生的所有代谢产物 的变化。
代谢组学是“组学”研究的最终方向
基因组的变化不一定能够得到表达,从而并不对 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, 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。 由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋 白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补 偿,最后反应的净结果为零。而小分子的产生和 代谢才是这一系列事件的最终结果,它能够更准 确地反映生物体系的状态。
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
后期---数据分析与模型建立
代谢组学研究的后期需借助于生物信息学 平台 借助于一定的软件,联合多种数据分析技 术,将多维、分散的数据进行总结、分类 及判别分析,发现数据间的定性、定量关 系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其 与机体代谢的关系。
原理
首先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 场和磁场使离子发生相反的速度色散，将他们分别聚 焦而得到质谱图，从而确定其质量. 色谱和电泳等分 离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离分 析提供有力的手段，如气相色谱一质谱联用(GC一MS)， 液相色谱一质谱联用(Lc一MS)和毛细管电泳一质谱联 用(CE一MS)等是质谱相关技术中的常见技术，在代谢 组学的各个领域有广泛的应用.
一 代谢组学的基本概念
自20世纪末出现基因组学概念以后,各种” 组学(-omics)”呈井喷式暴发.有人统计共 有数百种组学问世.
常见的如基因组学,蛋白质组学,转录组学,代 谢组学 上述组学还可再分出诸多亚组学,如肝细胞转 录组学,骨代谢组学等
1 代谢组的概念
细胞内的生命活动均以代谢为基础，代谢 物的变化可更直接反映细胞所处的环境， 如营养状态、药物作用和环境改变等。 代谢组