组学干货

代谢组学——后基因组时代新热点

编者按

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“小鹿话代谢”系列专刊简介:
 

本系列专刊含盖:专家话代谢、代谢组学实验设计、数据解读分析、数据库介绍及使用流程等一系列干货内容;

专刊系列将邀请代谢组学知名学者及一线技术人员对代谢组学发展和相关技术进行系统性的归纳总结,将实际操作经验分享给各位从事科研工作的老师,帮助大家多视角、全维度理解代谢物的作用机制和功能,提升生命科学研究的技术高度和深度。
 

先导篇
 

在基因组-转录组-蛋白组-代谢组的系统生物学框架内(图1),代谢组是生物动态调控系统中最接近于表型的阶段,是生命的本质特征和物质基础。代谢组学一方面由于与健康疾病、营养科学、药物毒性、环境科学等密切相关,未来广阔;另一方面,由于代谢物结构迥异、种类众多,在技术开发和应用方面也面临巨大挑战。
 

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图1 | 组织/细胞的系统生物学框架,涵盖了基因组、转录组、蛋白组、代谢组,脂质组等【1】

(图片来源:Wu RQ, J Dent Res. 2011)

破冰篇
 

a. 时下代谢组学技术与方法有哪些?

b. 如何将代谢组与自身课题进行连接?

c. 做代谢组学有哪些注意事项?
 

本次小编有幸邀请到中科院大连化物所许国旺研究员撰文,对代谢组学研究成果进行分享。许老师在代谢组学领域深耕多年,从技术创新到研究应用,成果斐然,希望帮助大家在短时间内了解代谢组学新技术和发展趋势。
 

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许国旺研究员
 

中国科学院大连化学物理研究所生物技术部常务副主任,中国科学院分离分析化学重点实验室主任,代谢组学研究中心主任。2004年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助。现任中国化学会色谱专业委员会主任、中国抗癌协会肿瘤代谢委员会副主任。已在PNAS, Nature Protocols, Hepatology, Advanced Science, Diabetes Care, Cancer Res., Clin. Chem., Anal. Chem. 等国际著名杂志发表系列文章,H-指数: 60(Web of Science Core Collection)、76 (Google),申请发明专利超百项(其中50多项已授权)。

主要研究方向:复杂样品分离分析方法的创新性研究;代谢组学分析技术平台及其在疾病、中药、植物表型、食品安全等方面应用的研究。
 

代谢组学发展趋势
 

代谢组学是定量描述生物内源性代谢物对内外因变化应答规律的科学,能够直接反映生命体的终端和表型信息,近年来在疾病诊断和分型、生物标志物发现、药物研发、基因功能解析、代谢途径及调控机理等领域发挥着重要作用。从代谢组学和脂质组学逐年发表的SCI文章(图2)可以看出,代谢组学发展迅猛。

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图2 | 代谢组学在“Web of Science核心合集”逐年发表的文章统计图

检索日期:2020年5月3日,检索关键词:(metabonomics) OR metabolomics OR ("metabolic profiling") OR (lipidomics) OR lipidome OR ("lipid profiling"))。

小图:中美发表的与质谱相关的代谢组学文章数比较。

代谢组学的核心
 

代谢组学的核心任务为:

1)对生物体系中的内源性代谢物及其变化规律进行表征;

2)以差异代谢物作为核心对生命奥秘进行解析。

其精髓是对小分子代谢物的定量分析并发现差异代谢物,其中基于色谱/质谱联用的分离分析技术是研究的关键。
 

与核磁共振等技术相比,色谱/质谱联用技术具有灵敏度高、选择性好、动态范围宽、信息丰富等优点,已成为代谢组学研究的主流技术平台。具体应用而言,对于非靶向分析色谱与高分辨质谱的联用必不可少;而对于靶向分析:基于多反应监测模式的三重四极杆质谱被认为是质谱定量的 “金标准”,也是靶向分析使用较多的方法;综合了两种技术优势的拟靶向代谢组技术是代谢组研究的新方向(图3)。
 

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图3 | 拟靶向代谢组学的建立【2】(Zheng F.J. et al., Nature Protocols, 2020)
 

拟靶向代谢组学的核心是通过非靶向方法的“拟”靶向化来实现的,包括三个步骤:1)基于四极杆飞行时间质谱的非靶向分析;2)母离子/产物离子对的选择;3)使用三重四极杆或QTRAP质谱系统采用MRM方式基于上述离子对对样品进行分析。该技术由于结合了非靶向和靶向分析技术的双重优势,在代谢物分析的覆盖度上与非靶向方法接近,在灵敏度上与靶向分析一样,应用日益广泛。

在仪器平台的选择上,由于GC-MS和LC-MS在分离对象上的差别,使得其在代谢物的分离分析上具有各自的独特优势。两类仪器的联合使用可以实现对更多物质类型的检测分析,具备较强的应用价值(Xuan QH, et al., Advanced Science, 2020)【3】。
 

研究难点及前景解析
 

代谢组学尚存在以下待解决的问题:

(1)大样本的代谢组学研究对代谢物检测的准确度和重复性有更高要求,需要开发更加快速、稳健的分析方法,保证实验室内各批次的分析重复性和实验室间数据的可比性;

(2)针对微量样本甚至单细胞代谢组分析,发展小体积超高灵敏的痕量代谢物检测方法势在必行;

(3)高分辨质谱信号中,仅仅小部分可以定性,大量未知代谢物的结构阐明方法需要发展;

(4)为了促进代谢组学解决实际问题和研究成果的转化,需要与生物化学和分子生物学紧密结合,阐明代谢物的功能
 

代谢组学是系统生物学的重要组成部分,与基因组、转录组、蛋白组等其他组学数据的整合,可以提供更全面的分子特征,获得病理生理状态、药物作用或应激扰动的变化信息,揭示分子机制。多组学整合的研究已广泛应用到基础医学、临床诊断、药物研发、农业育种以及抗逆研究等领域的各个方面。目前,多组学信息的有效整合仍然是难点,需要系统生物学和计算机技术的共同进步。

方法学的创新是代谢组学在各领域广泛应用的重要前提。我们相信,随着科研的进步,代谢组学必将深入发展,在生命科学中发挥重要的作用。我们可进一步预期,我国的代谢组学会与其他学科一起蓬勃发展。具体有哪些创新、如何应用、如何与其它学科结合发挥更大价值,我相信一定会有研究者给出更好的答案。
 

小编有话说
 

在技术飞速发展的代谢组学研究领域,精准和高通量正成为引领发展的方向。鹿明生物的非靶向双平台代谢组(GC-MS+LC-MS)、拟靶向功能脂质组检测分析以及拟靶向脂质组、拟靶向代谢组和黄酮-酚类、神经递质、胆汁酸等精准靶向代谢常规检测分析,具有多重平台、更大容量、精准解读等优势,也为揭示隐藏在大数据背后的生物学机理提供更好的支持。
 

除了单一的代谢组学技术之外,不同组学技术的组合搭配在科学研究中也扮演着越来越重要的角色,逐渐成为热点方向。鹿明生物在多组学联合检测分析中也有着独特优势:蛋白组学+代谢组学、代谢组学+微生物16S等多组学研究方案助力各大科研院所的科学家们多出成果、出好成果。

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图4 | 鹿明生物多组学检测与分析平台
 

参考文献:

【1】Wu R Q , Zhao X F , Wang Z Y , et al. Novel molecular events in oral carcinogenesis

via integrative approaches.[J]. Journal of Dental Research, 2011, 90(5):561.

【2】 Zheng F , Zhao X , Zeng Z , et al. Development of a plasma pseudotargeted

metabolomics method based on ultra-high-performance liquid chromatography–mass spectrometry[J]. Nature Protocols, 2020, 15(8):1-19.

【3】Xuan Q , Ouyang Y , Wang Y , et al. Multiplatform metabolomics reveals novel

serum metabolite biomarkers in diabetic retinopathy subjects[J]. Advanced Science, 2020, 2001714. DOI:10.1002/advs.202001714.


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文章来源于鹿明生物

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