代谢组学的研究方法和研究流程

代谢组学的研究方法和研究流程生物化学与分子生物学林兵主要内容•定义•概述•特点•研究方法•研究流程定义代谢组学（metabonomics）是指通过组群指标分析，进行高通量检测和数据处理，研究生物体整体或组织细胞系统的动态代谢变化，特别是对内源代谢、遗传变异、环境变化乃至各种物质进入代谢系统的特征和影响的学科。概述•代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。•其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。•先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。•其样品主要是动植物的细胞和组织的提取液。•主要技术手段是核磁共振（NMR）、质谱（MS）、色谱（HPLC，GC），其中以NMR为主特点1.关注内源化合物2.对生物体系的小分子化合物进行定量定性研究3.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4.上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药物筛选。代谢组学的研究方法2020/3/4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。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。目前最常用的分离分析手段是：气相色谱与质谱联用(GC—MS)液相色谱与质谱联用(LC—MS)毛细管电泳与质谱联用(CE—MS)核磁共振(NMR)GC-MS气相色谱原理:气相色谱的流动向为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速度也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱进入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下来，因此最后离开色谱柱。如此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。质谱原理:质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是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发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。GC-MS的基本流路图GC接口MS数据处理真空系统GC-MS联用仪器SampleSample58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBAABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS•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。NMR核磁共振基本原理：当以射频照射外磁场中的自旋核，且射频的能量正好等于核磁矩不同取向的能级差时，低能级的核将吸收射频跃迁致高能态—核磁共振现象。•共振条件：(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/B0=/(2)•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。代谢组学的研究流程代谢组学研究流程代谢组学各分析流程技术样品的提取样品预处理自动进样检测及鉴定化合物的分离数据分析与可视化，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2020/3/4代谢组学的研究流程