代谢组学-许国旺ppt课件

1、代谢组学代谢组学- -方法与运用方法与运用 授授课教师课教师 ：吴敬：吴敬 教授教授 授课时间：授课时间：20212021年年1111月月 “基因组学反映了什么是可以发生的，转录基因组学反映了什么是可以发生的，转录组学反映的是将要发生的，蛋白质组学指出了组学反映的是将要发生的，蛋白质组学指出了赖以发生的，只需代谢组学才真正反映业已发赖以发生的，只需代谢组学才真正反映业已发生的。生的。 许国旺许国旺第一章第一章 代谢组学的简介代谢组学的简介 第二章第二章 代谢组学的研讨方法代谢组学的研讨方法第四章第四章 代谢组学的运用代谢组学的运用第五章第五章 代谢组学的开展前景代谢组学的开展前景 组学时代组学

2、时代4 4种最重要的组学种最重要的组学代谢组学代谢组学Metabonomics/ Metabolomics Metabonomics/ Metabolomics 是经过调查生是经过调查生物体系细胞、组织物体系细胞、组织 或生物体受刺激或扰动后如将某或生物体受刺激或扰动后如将某个特定的基因变异或环境变化后，其代谢产物的变化或其个特定的基因变异或环境变化后，其代谢产物的变化或其随时间的变化，来研讨生物体系的一门科学。随时间的变化，来研讨生物体系的一门科学。代谢组代谢组metabolomemetabolome是基因组的下游产物也是最终产物，是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、维

3、持生物体正常生长功能是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长功能 和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生长发育的小分子化合物的集合，主要是相对分子量小于10001000的内源性小分子。的内源性小分子。代谢物数量因物种不同而差别较大：代谢物数量因物种不同而差别较大：植物植物200 000200 000种、动物种、动物25002500种、微生物种、微生物15001500种种 代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近开展代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近开展起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分。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

4、基因和蛋白质层面探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，而实践上细胞内许多生命活动是发生在寻生命的活动，而实践上细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放代谢物层面的，如细胞信号释放cell signalingcell signaling，能量传送，细胞间通讯等都是受代谢物调控的。代谢组能量传送，细胞间通讯等都是受代谢物调控的。代谢组学正是研讨代谢组学正是研讨代谢组metabolomemetabolome在某一时辰细胞在某一时辰细胞内一切代谢物的集合内一切代谢物的集合的一门学科。基因与蛋白质的的一门学科。基因与蛋白质的表达严密相连，而代谢物那么更多地反映了细胞所

5、处的表达严密相连，而代谢物那么更多地反映了细胞所处的环境，这又与细胞的营养形状，药物和环境污染物的作环境，这又与细胞的营养形状，药物和环境污染物的作用，以及其它外界要素的影响亲密相关。用，以及其它外界要素的影响亲密相关。 因此有人以为，因此有人以为，“基因组学和蛋白质组学通知他什基因组学和蛋白质组学通知他什么能够会发生，而代谢组学那么通知他什么确实发生了。么能够会发生，而代谢组学那么通知他什么确实发生了。Bill Lasley, UC DavisBill Lasley, UC Davis198219831984198920192000201920192019Nicholson and Wils

6、on: NMR spectroscopy of biofluids第一章第一章 代谢组学简介代谢组学简介代谢组学的开展代谢组学的开展代谢组学的特点：代谢组学的特点：关注内源化合物关注内源化合物对生物体系的小分子化合物进展定量定性研讨对生物体系的小分子化合物进展定量定性研讨上述化合物的上调和下调指示了与疾病、毒性、基因修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饰或环境因子的影响上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药物上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药物挑选挑选与转录组学和蛋白组学相比，代谢组学有以下优点：与转录组学和蛋白组学相比，代谢组学有以下优点：

7、基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大，基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大，从而使检测更容易从而使检测更容易代谢组学的研讨不需求建立全基因测序及大量序列标签代谢组学的研讨不需求建立全基因测序及大量序列标签ESTEST的数据库的数据库代谢物的研讨种类远小于蛋白质的数目代谢物的研讨种类远小于蛋白质的数目研讨中采用的技术更通用研讨中采用的技术更通用 Genomics and Proteomics are not sufficient to describe reasons for toxicity or disease state 基因组学和蛋白组学对于毒性或疾病形状的描画是缺乏

8、的基因组学和蛋白组学对于毒性或疾病形状的描画是缺乏的 Neither Genomics nor Proteomics can produce time course information which is important for animal to animal comparison 基因组学和蛋白组学都不能提供动态信息，但这些信息对于动物间的比较是重要的基因组学和蛋白组学都不能提供动态信息，但这些信息对于动物间的比较是重要的 Metabolite profiling produces information on the biochemical pathways effected 代谢

9、物分析能提供生化途径结果的信息代谢物分析能提供生化途径结果的信息 Monitoring metabolites allows concurrent or sequential affects to be monitored, e.g. blocking of a metabolic pathway in the liver can lead to toxicity in the brain (hydrazine) 代谢监控可监控即时或相继的结果，例如：阻断肝脏中代谢途径会在脑中产生毒性代谢监控可监控即时或相继的结果，例如：阻断肝脏中代谢途径会在脑中产生毒性肼肼 Metabonomics, un

10、like the other “omics is non-invasive 不像别的组学研讨，代谢组学是无创的不像别的组学研讨，代谢组学是无创的The Need for Metabonomic Information代谢组学研讨现状代谢组学研讨现状 代谢组学属于全局系统生物学代谢组学属于全局系统生物学Global Global systems biologysystems biology研讨方法，便于对复杂体研讨方法，便于对复杂体系的整体进展认识譬如，一个正常任务的人系的整体进展认识譬如，一个正常任务的人体包括体包括“人体本身和与之共同进化而来且共人体本身和与之共同进化而来且共生的消化道微生物

11、群体或称菌群，孤立地生的消化道微生物群体或称菌群，孤立地研讨研讨“人体本身的基因，转录子以及蛋白质人体本身的基因，转录子以及蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息，当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息，但无法提供使人体正常任务不可短少的菌群的但无法提供使人体正常任务不可短少的菌群的信息人体血液和尿液的代谢组却携带着包括信息人体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每一个细胞的信息，因此代谢组学菌群在内的每一个细胞的信息，因此代谢组学方法对研讨如人体这样复杂的进化杂合体非常方法对研讨如人体这样复杂的进化杂合体非常有效有效不同器官组织具有不同的代谢轮廓，广谱全采集不同器官组织具有不同

12、的代谢轮廓，广谱全采集 代谢组学曾经广泛地运用到了包括药物研发代谢组学曾经广泛地运用到了包括药物研发, ,分子生理学分子生理学, ,分子病理学分子病理学, ,基因功能组学基因功能组学, ,营养学营养学, ,环境科学等重要领域环境科学等重要领域. .在代谢组学诞生后的在代谢组学诞生后的6 6年里年里, ,有关代谢组学的研讨论文和专有关代谢组学的研讨论文和专利以指数的方式逐年增长利以指数的方式逐年增长. . 代谢组学与系统生物学代谢组学与系统生物学 系统生物学概念的诞生标志着研讨哲学由系统生物学概念的诞生标志着研讨哲学由 复原论复原论 向向 整体论整体论 的变化的变化. .系统生物学的中心义务就是

13、要针对生物系系统生物学的中心义务就是要针对生物系统整体统整体( (无论它是生物细胞无论它是生物细胞, ,多细胞组织多细胞组织, ,器官还是生物整器官还是生物整体体),),建立定量建立定量, ,普适普适, ,整体和可预测整体和可预测(QUIP)(QUIP)的认知的认知. . 详细而言详细而言, ,系统生物学研讨就是要将给定生物系统的基系统生物学研讨就是要将给定生物系统的基因因, ,转录转录, ,蛋白质和代谢程度所发生的事件蛋白质和代谢程度所发生的事件, ,相关性及其对所相关性及其对所涉及生物过程的意义进展整体性认识，从而出现了许多的涉及生物过程的意义进展整体性认识，从而出现了许多的 组组 和和

14、组学组学 的新概念的新概念. . 现已提出的一百多个现已提出的一百多个 组组 和和 组学组学,可以大体归纳为可以大体归纳为 基因组基因组/基因组学基因组学,转录组转录组/转录组学转录组学,蛋白质组蛋白质组/蛋白质组学蛋白质组学 和和 代谢组代谢组/代谢组学代谢组学 四四个方面个方面. .显而易见显而易见,DNA,mRNA,DNA,mRNA以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质根以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质根底底( (但这个过程有能够不发生但这个过程有能够不发生!),!),而代谢物质所反映的是曾经发生了的生物学事而代谢物质所反映的是曾经发生了的生物学事件件. .因此代谢组学是对

15、一个生物系统进展全面认识的不可短少的一部分因此代谢组学是对一个生物系统进展全面认识的不可短少的一部分, ,是全局是全局系统生物学系统生物学(global systems biology)(global systems biology)的重要根底的重要根底第二章第二章 微生物代谢组学的研讨方法微生物代谢组学的研讨方法Challenges of MetabonomicsSample Complexity and Data Handling 代谢组学代谢组学(metabonomics(metabonomicsmetabolomics)metabolomics)是效仿基因组学和蛋白质组学的研讨思想，对

16、是效仿基因组学和蛋白质组学的研讨思想，对生物体内一切代谢物进展定量分析，并寻觅代生物体内一切代谢物进展定量分析，并寻觅代谢物与生理病理变化的相对关系的研讨方式，谢物与生理病理变化的相对关系的研讨方式，是系统生物学的组成部分。是系统生物学的组成部分。 其研讨对象大都是相对分子质量其研讨对象大都是相对分子质量10001000以内以内的小分子物质。先进分析检测技术结合方式识的小分子物质。先进分析检测技术结合方式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研讨别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研讨的根本方法。的根本方法。 代谢组学利用高通量、高灵敏度与高准确度的现代代谢组学利用高通量、高灵敏度与高准确度的

17、现代分析技术，动态跟踪细胞、有机体分泌出来的体液中的分析技术，动态跟踪细胞、有机体分泌出来的体液中的代谢物的整体组成，借助多变量统计方法，来辩识和解代谢物的整体组成，借助多变量统计方法，来辩识和解析被研讨对象的生理、病理形状及其与环境因子、基因析被研讨对象的生理、病理形状及其与环境因子、基因组成等的关系。组成等的关系。 “代谢组学是一种整体性的研讨战略，其研讨战略代谢组学是一种整体性的研讨战略，其研讨战略有点类似于经过分析发动机的尾气成分，来研讨发动机有点类似于经过分析发动机的尾气成分，来研讨发动机的运转规律和缺点诊断等的的运转规律和缺点诊断等的“反向工程学的技术思绪。反向工程学的技术思绪。由

18、于代谢组学着眼于把研讨对象作为一个整体来察看和由于代谢组学着眼于把研讨对象作为一个整体来察看和分析，也被称为分析，也被称为“整体的系统生物学。整体的系统生物学。 研讨方法和步骤研讨方法和步骤样品制备：足量的代表性样品样品制备：足量的代表性样品-80-80保管保管2.2.数据采集和标志物识别：常用色谱数据采集和标志物识别：常用色谱- -质谱联用质谱联用 、NMRNMR3.3.数据分析：数据分析： PCAPCA、 PLSPLS、 ANNANN4.4.代谢途径分析：代谢轮廓分析和代谢组学分析代谢途径分析：代谢轮廓分析和代谢组学分析The strategy for large scale metabo

19、nomics research样品制备样品制备 微生物代谢物样品的制备普通分为微生物培育、微生物代谢物样品的制备普通分为微生物培育、淬灭和代谢产物的提取。根据研讨对象、目的和采淬灭和代谢产物的提取。根据研讨对象、目的和采用的分析技术不同用的分析技术不同, ,所需的样品提取和预处置方法所需的样品提取和预处置方法各异，不存在一种普适性的规范化方法。各异，不存在一种普适性的规范化方法。 微生物代谢组学研讨要求微生物的生长条件是微生物代谢组学研讨要求微生物的生长条件是可以控制和反复的。在一个生物反响器中，需求严可以控制和反复的。在一个生物反响器中，需求严厉控制温度、厉控制温度、pHpH、培育基组成、溶

20、解氧和二氧化碳、培育基组成、溶解氧和二氧化碳等以明确界定生长条件，建立规范的和可反复的参等以明确界定生长条件，建立规范的和可反复的参考培育条件。微生物的培育可以以分批、补料或者考培育条件。微生物的培育可以以分批、补料或者延续培育方式进展。由于延续培育的菌体生理稳定，延续培育方式进展。由于延续培育的菌体生理稳定，易于控制且重现性较好，所以，大多数研讨者倾向易于控制且重现性较好，所以，大多数研讨者倾向于运用生物反响器延续培育操作方式。于运用生物反响器延续培育操作方式。 在样品淬灭和代谢物的提取过程中，应遵照的原那么是：在样品淬灭和代谢物的提取过程中，应遵照的原那么是：1 1淬灭工艺最好可以立刻冻结

21、细胞代谢淬灭工艺最好可以立刻冻结细胞代谢2 2在淬灭过程中要求细胞膜无明显损伤，以免胞内代在淬灭过程中要求细胞膜无明显损伤，以免胞内代谢物外泄。谢物外泄。3 3提取过程中应该尽能够多的提取胞内代谢物。提取过程中应该尽能够多的提取胞内代谢物。4 4代谢产物不应该遇到任何物理或化学修饰。代谢产物不应该遇到任何物理或化学修饰。5 5得到的样品基质应与所选择的分析方法相容。得到的样品基质应与所选择的分析方法相容。 冷甲醇、液氮和热乙醇是最常用的淬灭方法，而在冷甲醇、液氮和热乙醇是最常用的淬灭方法，而在提取方面由于特定的提取条件往往仅适宜某些类化合物提取方面由于特定的提取条件往往仅适宜某些类化合物目前尚

22、无一种可以适宜一切代谢产物的提取方法应该根目前尚无一种可以适宜一切代谢产物的提取方法应该根据不同的化合物选择不同的提取方法，并对提取条件进据不同的化合物选择不同的提取方法，并对提取条件进展优化。展优化。 对获得的样品中一切代谢物进展分析鉴定是代谢组学研讨的关键步骤，也对获得的样品中一切代谢物进展分析鉴定是代谢组学研讨的关键步骤，也是最困难和多变的步骤。是最困难和多变的步骤。 与原有的各种组学技术只分析特定类型的物质不同，代谢组学分析对象与原有的各种组学技术只分析特定类型的物质不同，代谢组学分析对象的大小、数量、官能团、挥发性、带电性、电迁移率、极性以及其他物理化的大小、数量、官能团、挥发性、带

23、电性、电迁移率、极性以及其他物理化学参数差别很大，要对它们进展无偏向的全面分析，单一的分别分析手段往学参数差别很大，要对它们进展无偏向的全面分析，单一的分别分析手段往往难以保证。往难以保证。 色谱、质谱、核磁共振、红外光谱、库仑分析、紫外吸收、荧光散射、色谱、质谱、核磁共振、红外光谱、库仑分析、紫外吸收、荧光散射、发射性检测和光散射等分别分析手段及其组合都被运用于代谢组学的研讨。发射性检测和光散射等分别分析手段及其组合都被运用于代谢组学的研讨。 普通来说普通来说, ,选择代谢物组学分析方法时选择代谢物组学分析方法时, ,其原那么是其原那么是要同时思索仪器和技术的检测速度、选择性和灵敏度要同时思

24、索仪器和技术的检测速度、选择性和灵敏度, ,找到一种最适宜目的化合物的方法。找到一种最适宜目的化合物的方法。 化学分析技术中最常用的是化学分析技术中最常用的是1H1H核磁共振核磁共振(1HNMR)(1HNMR)以以及色谱质谱联用及色谱质谱联用(X-MS)(X-MS)，如气相色谱耦联质谱，如气相色谱耦联质谱(GC/MS)(GC/MS)、液相色谱耦联质谱液相色谱耦联质谱(LC/MS)(LC/MS)和毛细管电泳耦联质谱联用和毛细管电泳耦联质谱联用技术技术 (CE/MS)(CE/MS)来分析研讨代谢物并为其绘制图谱。这些来分析研讨代谢物并为其绘制图谱。这些技术的耦联可以提高对样品的分辨率、敏感性及选择

25、度技术的耦联可以提高对样品的分辨率、敏感性及选择度, ,有利于对更多的生物体系内的代谢物绘制图谱。有利于对更多的生物体系内的代谢物绘制图谱。 GC/MS GC/MS 、LC/MSLC/MS和和CE/MS CE/MS 可以同时检测出数百种化可以同时检测出数百种化合物，包括糖类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同合物，包括糖类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代谢物的次生代谢物 。 GC/MSGC/MS有很好的分别效率且相对较为经济，但需求有很好的分别效率且相对较为经济，但需求对样品进展衍生化预处置，这一步骤会耗费额外的时间，对样品进展衍生化预处置，这一步骤会耗费额外的时间，甚至引起样品的变化

26、。受此限制，甚至引起样品的变化。受此限制，GC/MS GC/MS 无法分析膜脂无法分析膜脂等热不稳定性的物质和分子量较大的代谢产物。等热不稳定性的物质和分子量较大的代谢产物。近来，多维分别技术如二级气相色谱飞行时间质谱近来，多维分别技术如二级气相色谱飞行时间质谱GC-GC-TOF-MSGC-GC-TOF-MS，检测范围更广，但由于实践运用困，检测范围更广，但由于实践运用困难和破费较高等问题使其并未普遍运用。难和破费较高等问题使其并未普遍运用。 HPLC HPLC 与与 GC GC 原理类似，但在进样前不需进展衍生原理类似，但在进样前不需进展衍生化处置，适宜那些不稳定、不易衍生化、不易挥发和分化

27、处置，适宜那些不稳定、不易衍生化、不易挥发和分子量较大的化合物。子量较大的化合物。HPLC/MS HPLC/MS 选择性和灵敏度都较好，选择性和灵敏度都较好，但分析的时间相对较长，且需依赖纯的参照物。但分析的时间相对较长，且需依赖纯的参照物。 CE-MSCE-MS分别样品效率比普通的色谱质谱联用要高得分别样品效率比普通的色谱质谱联用要高得多，仅需求极少的进液量多，仅需求极少的进液量nLnL，而且其测试时间短，试，而且其测试时间短，试剂本钱低。剂本钱低。CE-MSCE-MS在微生物代谢组领域发扬着越来越重在微生物代谢组领域发扬着越来越重要的作用。要的作用。 色谱质谱连用技术具有分别效率高、灵敏度

28、好及经色谱质谱连用技术具有分别效率高、灵敏度好及经济适用等优点。但需求处理的主要问题是：大量色谱峰济适用等优点。但需求处理的主要问题是：大量色谱峰的识别问题以及方法的重现性问题。的识别问题以及方法的重现性问题。NMRNMR是当前代谢组学研讨中的主要技术是当前代谢组学研讨中的主要技术 首先，不同于质谱具有离子化程度和基质干扰等问题，首先，不同于质谱具有离子化程度和基质干扰等问题，NMR NMR 没有偏向性，对一切化合物的灵敏度是一样的；其次，没有偏向性，对一切化合物的灵敏度是一样的；其次，NMR NMR 无损伤性，不破坏样品的构造和性质，可在接近生理条无损伤性，不破坏样品的构造和性质，可在接近生

29、理条件下进展实验，可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件下进展实验，可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件，可以进展实时和动态的检测；此外，件，可以进展实时和动态的检测；此外，NMR NMR 氢谱的谱峰与氢谱的谱峰与样品中各化合物的氢原子是一一对应的，所测样品中的每一样品中各化合物的氢原子是一一对应的，所测样品中的每一个氢原子在图谱中都有其相关的谱峰，图谱中信号的相对强个氢原子在图谱中都有其相关的谱峰，图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对含量，更为直观弱反映样品中各组分的相对含量，更为直观 。因此，。因此，NMR NMR 方法很适宜研讨代谢产物中的复杂成分。方法很适宜研讨代谢产物中的

30、复杂成分。 与与 GC/MS GC/MS 和和 LC/MS LC/MS 相比，相比， NMR NMR 的缺陷是灵敏度低，的缺陷是灵敏度低，有能够构成信号重叠，且其对样品制备的要求很高。同时由有能够构成信号重叠，且其对样品制备的要求很高。同时由于动态范围有限，很难同时测定生物体系中共存的浓度相差于动态范围有限，很难同时测定生物体系中共存的浓度相差较大的代谢产物。较大的代谢产物。 数据分析平台数据分析平台 在代谢组学研讨中，大多数是从检测到的代谢在代谢组学研讨中，大多数是从检测到的代谢产物信息中进展两类产物信息中进展两类(如基因突变前后的呼应如基因突变前后的呼应)或多或多类类(如不同表型间代谢产物

31、如不同表型间代谢产物)的判别分类以及生物标的判别分类以及生物标志物的发现。由于生物样品的组成复杂，在得到分志物的发现。由于生物样品的组成复杂，在得到分析对象的原始谱图后，首先需求对数据进展预处置析对象的原始谱图后，首先需求对数据进展预处置(归一化和滤噪归一化和滤噪)，消除干扰要素，保管有用信息。，消除干扰要素，保管有用信息。 数据的解析可分为如下数据的解析可分为如下3个根本步骤：个根本步骤：(1)提取出色谱分别后未能有效分开的代谢物峰并提取出色谱分别后未能有效分开的代谢物峰并得出其相应浓度；得出其相应浓度；(2)根据其保管时间及质谱图等信息鉴别有效峰所根据其保管时间及质谱图等信息鉴别有效峰所代

32、表的化合物；代表的化合物；(3)根据代谢数据建立代谢网络模型。根据代谢数据建立代谢网络模型。 代谢组学分析得到的是信息含量丰富的多维数据，运用代谢组学分析得到的是信息含量丰富的多维数据，运用方式识别和多维统计分析等方法能从这些大量的数据中充分方式识别和多维统计分析等方法能从这些大量的数据中充分发掘出其中的信息，这些方法可以为数据降维，使它们更易发掘出其中的信息，这些方法可以为数据降维，使它们更易于可视化和分类。于可视化和分类。 目前数据分析常用的两类算法是基于寻觅方式的非监视目前数据分析常用的两类算法是基于寻觅方式的非监视方法方法 (unsupervised method) (unsuperv

33、ised method) 和有监视方法和有监视方法 (supervised (supervised method)method)。 非监视方法非监视方法 是用来探求完全未知的数据特征的方法，对原是用来探求完全未知的数据特征的方法，对原始数据信息根据样本特性进展归类，把具有类似特征的目的始数据信息根据样本特性进展归类，把具有类似特征的目的数据归在同源的类里，并采用相应的可视化技术直观地表达数据归在同源的类里，并采用相应的可视化技术直观地表达出来。运用在此领域的常见方法有聚类分析出来。运用在此领域的常见方法有聚类分析 (cluster (cluster analysis) analysis) 和主

34、成分分析和主成分分析 (principal components (principal components analysisanalysis，PCA) PCA) 等。等。 聚类分析根据物以类聚的原理分析具有类似性的事聚类分析根据物以类聚的原理分析具有类似性的事物，将分类对象置于一个多维空间中，根据事物彼此不同物，将分类对象置于一个多维空间中，根据事物彼此不同的属性进展识别，将性质相近的归入一类，这样归在同一的属性进展识别，将性质相近的归入一类，这样归在同一类的事物具有高度的类似性；聚类分析就是把事物按其类类的事物具有高度的类似性；聚类分析就是把事物按其类似程度进展分类，并找出每一类事物共同特

35、征的分析工具。似程度进展分类，并找出每一类事物共同特征的分析工具。 详细到代谢组学中，被归入一类的物质有一样的特征，详细到代谢组学中，被归入一类的物质有一样的特征，能够有一样的功能作用，这样经过同一类事物中一个研讨能够有一样的功能作用，这样经过同一类事物中一个研讨较为明晰的物质可以推断该类中其他物质的功能作用。聚较为明晰的物质可以推断该类中其他物质的功能作用。聚类分析过程通常可分为以下步骤：数据搜集并且搜集相应类分析过程通常可分为以下步骤：数据搜集并且搜集相应的变量；产生一个类似矩阵；决议把目的总体细分为几类，的变量；产生一个类似矩阵；决议把目的总体细分为几类，及其对每一种类别相应的定义；实施

36、聚类分析，产生结果。及其对每一种类别相应的定义；实施聚类分析，产生结果。 主成分分析是目前运用最为广泛的多维分析方法之一。主成分分析是目前运用最为广泛的多维分析方法之一。PCA PCA 的特点是将分散在一组变量上的信息集中到某几个综的特点是将分散在一组变量上的信息集中到某几个综合目的，即主成分合目的，即主成分 (principal component(principal component，PC) PC) 上，利上，利用这些主成分来描画数据集内部构造，实践上也起着数据用这些主成分来描画数据集内部构造，实践上也起着数据降维的作用。降维的作用。 主成分是由原始变量按一定的权重经线性组合而成的主成分

37、是由原始变量按一定的权重经线性组合而成的新变量。这些变量具有以下性质：新变量。这些变量具有以下性质：1)1)每一个每一个 PC PC 之间都是之间都是正交的；正交的；2)2)第第1 1个个 PC PC 包含了数据集的绝大部分方差，第包含了数据集的绝大部分方差，第2 2个次之，依此类推。这样，由头个次之，依此类推。这样，由头2 2个或个或3 3个个 PC PC 作图，就可作图，就可以很好地代表数据集所包含的生物化学变化以很好地代表数据集所包含的生物化学变化 有监视方法假设存在一些有关数据的先验音讯和假设，有监视方法假设存在一些有关数据的先验音讯和假设，有监视方法比非监视方法更适宜且更有效。有监视

38、方法有监视方法比非监视方法更适宜且更有效。有监视方法在已有知识的根底上建立信息组在已有知识的根底上建立信息组 (class information)(class information)，并利用所建立的组对未知数据进展辨识、归类和预测。并利用所建立的组对未知数据进展辨识、归类和预测。 在这类方法中，由于建立模型时有可供学习利用的在这类方法中，由于建立模型时有可供学习利用的训练样本，所以称为有监视学习。运用于该领域的常见训练样本，所以称为有监视学习。运用于该领域的常见方法有线性判别分析方法有线性判别分析 (linear discrimination (linear discrimination

39、analysis)analysis)、偏最小二乘法、偏最小二乘法- -显著性分析显著性分析 (PLS-(PLS-discrimination analysis) discrimination analysis) 和人工神经元网络和人工神经元网络 (artificial neural networks(artificial neural networks，ANN) ANN) 网上数据库在信息时代，代谢组学的分析离不开各种代谢途径和网上数据库在信息时代，代谢组学的分析离不开各种代谢途径和升华数据库，利用网络资源进展研讨是必不可少的，与基因组学和升华数据库，利用网络资源进展研讨是必不可少的，与基因组

40、学和蛋白组学已有较完善的数据库供搜索运用相比，目前代谢组学研讨蛋白组学已有较完善的数据库供搜索运用相比，目前代谢组学研讨尚无类似的功能完备数据库。尚无类似的功能完备数据库。DOME (/dome.html) DOME (/dome.html) 有许多关于代谢物的原始有许多关于代谢物的原始数据和分析结果，分析结果用多维统计软件处置后可用于数据和分析结果，分析结果用多维统计软件处置后可用于 OMEs OMEs 的的阅读器阅读器 (BROME) (BROME) 阅读。阅读。 MetaCyc () Met

41、aCyc () 是一个关于代谢物的数据库，论述了超越是一个关于代谢物的数据库，论述了超越150150种生物体中的代谢途径，包含了从大量的文献和网上资源中得到种生物体中的代谢途径，包含了从大量的文献和网上资源中得到的代谢途径、反响、酶和底物的资料。的代谢途径、反响、酶和底物的资料。MMP (chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme) MMP (chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme) 对主要代谢途径及涉及的关对主要代谢途径及涉及的关键酶进展了详尽的描画。键酶进展了详尽的描画。 ArMet () ArMet (armet.o

42、rg) 是一个涵盖大部分植物代谢组学研讨任务的网是一个涵盖大部分植物代谢组学研讨任务的网站，包含了这些任务开展的时间，甚至还有详细的实验步骤，并将站，包含了这些任务开展的时间，甚至还有详细的实验步骤，并将代谢物信息规范化，以便于研讨者交流。代谢物信息规范化，以便于研讨者交流。第三章第三章 代谢组学的运用代谢组学的运用代谢组学在微生物领域的运用代谢组学在微生物领域的运用 ( (一一) )微生物分类微生物分类, ,突变体挑选以及功能基因研讨突变体挑选以及功能基因研讨经典的微生物分类方法多根据微生物形状学以及对经典的微生物分类方法多根据微生物形状学以及对不同底物的代谢情况进展表型分类。最近不同底物的

43、代谢情况进展表型分类。最近, ,随着分子生随着分子生物学的突飞猛进物学的突飞猛进, ,基因型分类方法如基因型分类方法如16SrDNA16SrDNA测序测序,DNA,DNA杂杂交以及交以及PCRPCR指纹图谱等方法得到了广泛运用。然而指纹图谱等方法得到了广泛运用。然而, ,某些某些菌株按照基因型与表型两类方法分类会得出不同的结果。菌株按照基因型与表型两类方法分类会得出不同的结果。因此因此, ,根据不同的分类目的结合运用这两类方法已成为根据不同的分类目的结合运用这两类方法已成为一种趋势。一种趋势。BIOLOGBIOLOG等方法在表型分类中运用较为广泛等方法在表型分类中运用较为广泛, ,但是但是,

44、,代谢谱分析方法代谢谱分析方法(metabolic p rofiling)(metabolic p rofiling)异军突异军突起起, ,逐渐成为一种快速、高通量逐渐成为一种快速、高通量, ,全面的表型分类方法。全面的表型分类方法。 采用代谢组分类时采用代谢组分类时, ,可以经过检测胞外代谢物来加可以经过检测胞外代谢物来加以鉴别。常用的胞外代谢物检测方法为样品衍生化后以鉴别。常用的胞外代谢物检测方法为样品衍生化后进展进展GC2MSGC2MS分析、薄层层析或分析、薄层层析或HPLC2MSHPLC2MS分析分析, ,最后经过特最后经过特征峰比对进展分类。征峰比对进展分类。BundyBundy等采

45、用等采用NMRNMR分析代谢谱胜利分析代谢谱胜利地域分开临床病理来源以及实验室来源的不同杆菌地域分开临床病理来源以及实验室来源的不同杆菌(bacillus cereus)(bacillus cereus)。 除了表型分类外除了表型分类外, ,代谢组学数据可以运用于突变体代谢组学数据可以运用于突变体的挑选。在传统研讨中的沉默突变体的挑选。在传统研讨中的沉默突变体( (即未发生明显的即未发生明显的表型变化的突变体表型变化的突变体) )内内, ,突变基因能够导致了某些代谢突变基因能够导致了某些代谢途径发生变化途径发生变化, ,经过代谢快照经过代谢快照(metabolic snap shot)(met

46、abolic snap shot)可以发现该突变体并研讨相应基因的功能。可以发现该突变体并研讨相应基因的功能。( (二二) )发酵工艺的监控和优化发酵工艺的监控和优化 发酵工艺的监控和优化需求检测大量的参数发酵工艺的监控和优化需求检测大量的参数, ,利用代谢组利用代谢组学研讨工具可以减少实验数量学研讨工具可以减少实验数量, ,提高检测通量提高检测通量, ,并有助于提示发并有助于提示发酵过程的生化网络机制酵过程的生化网络机制, ,从而有利于理性优化工艺过程。从而有利于理性优化工艺过程。 BuchholzBuchholz等采用延续采样的方法研讨了大肠杆菌在发酵过等采用延续采样的方法研讨了大肠杆菌在

47、发酵过程中的代谢网络的动力学变化。他们在葡萄糖缺乏的培育液培程中的代谢网络的动力学变化。他们在葡萄糖缺乏的培育液培育的大肠杆菌中参与葡萄糖育的大肠杆菌中参与葡萄糖, ,并迅速混匀并迅速混匀, ,按每秒按每秒4 45 5次的频率次的频率延续取样。利用酶学分析、延续取样。利用酶学分析、HPLC/LC2MSHPLC/LC2MS等手段监测样品中多达等手段监测样品中多达3030种以上的代谢物、核苷以及辅酶种以上的代谢物、核苷以及辅酶, ,从而解析了葡萄糖以及甘从而解析了葡萄糖以及甘油的代谢途径和底物摄取体系。经过统计学分析建模油的代谢途径和底物摄取体系。经过统计学分析建模, ,发如今发如今接触葡萄糖底物

48、后的接触葡萄糖底物后的151525s25s范围内范围内, ,大肠杆菌体内发生的葡萄大肠杆菌体内发生的葡萄糖代谢物变化与经典生化途径相符糖代谢物变化与经典生化途径相符, ,但随后的过程那么与经典但随后的过程那么与经典途径不符途径不符, ,推测能够存在新的未知调控步骤。推测能够存在新的未知调控步骤。TakorsTakors以为以为, ,经过经过上述代谢动力学研讨上述代谢动力学研讨, ,掌握代谢途径及网络中的关键参数掌握代谢途径及网络中的关键参数, ,将直将直接有利于代谢工程的优化接有利于代谢工程的优化, ,包括菌株的理性优化以及发酵参数包括菌株的理性优化以及发酵参数的调控。的调控。 ( (三三)

49、)环境微生物研讨环境微生物研讨 微生物降解是环境中去除污染物的主要途径。深化了微生物降解是环境中去除污染物的主要途径。深化了解污染物在微生物内的代谢途径解污染物在微生物内的代谢途径, ,将有助于人们优化生物将有助于人们优化生物降解的条件降解的条件, ,从而实现快速的生物修复。这些代谢中间体从而实现快速的生物修复。这些代谢中间体大都经过萃取、分析方法进展逐个研讨大都经过萃取、分析方法进展逐个研讨, ,并借助专家阅历并借助专家阅历拟合出代谢途径拟合出代谢途径, ,其动力学过程亦很少触及。代谢组学方其动力学过程亦很少触及。代谢组学方法的采用有能够改动这一现状。法的采用有能够改动这一现状。 Boers

50、maBoersma等采用代谢组学方法研讨氟代酚的微生物降等采用代谢组学方法研讨氟代酚的微生物降解途径。氟代化合物具有特殊的解途径。氟代化合物具有特殊的19F19F核磁共振属性核磁共振属性,19F,19F的的核磁共振灵敏度与核磁共振灵敏度与1H1H核相近核相近; ;由于生物体内无内源性由于生物体内无内源性19F19F核核磁信号磁信号, ,因此无本底干扰。一切因此无本底干扰。一切19F19F核磁信号均可归结于异核磁信号均可归结于异生素及其代谢物。生素及其代谢物。19F19F核的化学位移值宽核的化学位移值宽, ,约为约为700ppm(1H700ppm(1H为为15ppm,13C15ppm,13C为为

51、250ppm)250ppm)。较宽的化学位移导致。较宽的化学位移导致19 F19 F在不同在不同取代物的峰图不易产生重叠。因此取代物的峰图不易产生重叠。因此, ,借助核磁共振技术可借助核磁共振技术可以更方便地研讨含氟化合物的代谢中间体。以更方便地研讨含氟化合物的代谢中间体。 代谢生物学在药物研发和疾病研讨中的运用代谢生物学在药物研发和疾病研讨中的运用 代谢组学在疾病动物模型确实证、药物的挑选、代谢组学在疾病动物模型确实证、药物的挑选、药效及毒性评价、作用机制和临床评价等方面有着药效及毒性评价、作用机制和临床评价等方面有着广泛的运用。广泛的运用。 Nicholson 研讨小组利用研讨小组利用NM

52、R代谢组学技术，代谢组学技术，在药物毒性评价方面开展了深化研讨，结果阐明代在药物毒性评价方面开展了深化研讨，结果阐明代谢组学方法可判别毒性影响的组织器官极其位点，谢组学方法可判别毒性影响的组织器官极其位点，推测药物相关作用机制确定与毒性有关的签字生物推测药物相关作用机制确定与毒性有关的签字生物标志物；变在此根底上建立棵供毒性预测的专家系标志物；变在此根底上建立棵供毒性预测的专家系统及毒物影响动物内源性代谢物随时间的变化轨迹。统及毒物影响动物内源性代谢物随时间的变化轨迹。 代谢组学在疾病的研讨中的运用主要包括病变标代谢组学在疾病的研讨中的运用主要包括病变标志物的发现、疾病的诊断、治疗和愈后的判别

53、。志物的发现、疾病的诊断、治疗和愈后的判别。 目前报道较多在疾病研讨的运用，如新生儿的代目前报道较多在疾病研讨的运用，如新生儿的代谢紊乱、冠心病、膀胱炎、高血压和精神系统疾病谢紊乱、冠心病、膀胱炎、高血压和精神系统疾病等。等。 Nicholson Nicholson及其任务组发现了给予氨基半乳糖的大鼠可以被分及其任务组发现了给予氨基半乳糖的大鼠可以被分为有反响和无反响两组，而这两组动物可以根据它们在给药前的为有反响和无反响两组，而这两组动物可以根据它们在给药前的尿代谢物来区分，他们第一次提到药物代谢组学的概念，并将其尿代谢物来区分，他们第一次提到药物代谢组学的概念，并将其定义为定义为“根据用药

54、前代谢产物的特点来预测对个人进展药物或外根据用药前代谢产物的特点来预测对个人进展药物或外来物的干涉的结果。来物的干涉的结果。NMR Acquisition andGilson 215 Control SystemNMR flow probeN2 gasVarian Inova 600Shielded magnet120 ul flow probeGilson 215 autosamplerBiomek RobotRefrigeratedMetabolismCage (0o C.)Frozen Storage+ NaN3Deuterated BufferTSPData ProcessingSynthesisEfficacy/HTSEfficacy/In VivoLeadTOXINDP1P2P3Metabonomics in Dr