什么是代謝組學?

　　代謝是生物體內(nèi)所有生化反應的總成，是生命體維持生命的物質(zhì)基礎，也是研究生命活動的重要基礎。代謝組學是研究生命在內(nèi)、外環(huán)境影響下的內(nèi)源代謝活動，包括對代謝產(chǎn)物種類、數(shù)量及其變化規(guī)律的檢測和分析，從而研究集體生命活動發(fā)生和發(fā)展的本質(zhì)。與其他組學相比，代謝組學具有多種優(yōu)勢：

　　1、代謝物的種類、數(shù)量變化易于檢測;

　　2、相比于基因組學和蛋白組學，技術手段更為簡單;

　　3、與基因組學和的蛋白組學相比，代謝物數(shù)量少，易于檢測、驗證和分析;

　　4、代謝水平變化可實時揭示機體生理病理狀態(tài)。

　　圖 代謝組學和其他組學的關系

　　代謝組學分類

　　代謝組學根據(jù)研究目的的不同，可進一步分為非靶向和靶向代謝組學。非靶向代謝組學是對有機體內(nèi)源性代謝物的全面、系統(tǒng)的分析，是一種無偏向的代謝組學分析，可以發(fā)現(xiàn)新的生物標記物。靶向代謝組學是針對特定一類代謝物的研究分析。二者各有優(yōu)缺點，經(jīng)常結合使用，用于差異代謝產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)和精準定量，對后續(xù)代謝分子標志物進行深入的研究和分析，這在食品鑒定、疾病研究、動物模型驗證、生物標志物發(fā)現(xiàn)、疾病診斷、藥物研發(fā)、藥物篩選、藥物評估、臨床研究、植物代謝研究、微生物代謝研究中發(fā)揮重要作用。

　　圖  非靶向和靶向代謝組學結合使用

　　非靶向代謝組學

　　非靶向代謝組學是在背景知識有限的基礎上，對整個生命體代謝組進行的系統(tǒng)、全面的鑒定分析，獲取大量代謝物數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)差異代謝物。非靶向代謝組學主要包含以下流程：

　　1. 樣本采集與處理

　　常見的代謝組學分析樣本包括血漿、尿液、組織、細胞、細胞器等。足夠大的樣本量可以減少樣本個體差異造成的誤差。這些復雜樣本中含有很多其他成分，可能對結果產(chǎn)生干擾，是影響代謝組學研究是否成功的關鍵因素。常用的樣本處理方法包括蛋白質(zhì)沉淀，差速離心和萃取(固相萃取、液液萃取、超臨界流體萃取、加速溶劑萃取)等。

　　2. 實驗分析

　　代謝組學常常需要運用多種分析技術手段來滿足不同的實驗需求。常見的代謝組學分析技術包括核磁共振(NMR)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(CD-MS)等。高分辨質(zhì)譜技術主要有TOF-MS、FTICR-MS、Orbitrap-MS、Sector-MS等。

　　3. 數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)預處理：利用 XCMS、MZmine 和MarkerView 等工具進行原始數(shù)據(jù)處理。

　　鑒定差異代謝物：常用的分析方法包括主成分分析(PCA)、偏最小二乘判別分析( PLS-DA)、正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)等。數(shù)據(jù)分析結果還需要經(jīng)過t檢驗和變量權重重要性排序( variable importance in projection, VIP)值篩選差異性代謝產(chǎn)物。一般認為，同時滿足P<0.05，VIP>1.0 的變量為差異代謝物。

　　代謝通路分析：常見的代謝組學通路數(shù)據(jù)庫包括 HMDB、KEGG、Reactome、BioCyc、MetaCyc 等數(shù)據(jù)庫，可以利用這些數(shù)據(jù)庫進行代謝通路和互作網(wǎng)絡分析。

　　多組學分析：多組學分析已經(jīng)是組學發(fā)現(xiàn)不可避免的趨勢了。可用的數(shù)據(jù)庫和工具包括IMPaLA網(wǎng)站、iPEAP 軟件、MetaboAnalyst網(wǎng)站、SAMNetWeb網(wǎng)站、pwOMICS、MetaMapR、MetScape、Grinn、WGCNA、MixOmic、DiffCorr、qpgraph、huge等。

　　靶向代謝組學

　　靶向代謝組學相對于非靶向代謝組學更有針對性，將關注點放在了幾個或者幾類與生物學事件相關的代謝物上，比如脂質(zhì)組學、糖組學。

　　1、樣本采集和處理

　　靶向代謝組學根據(jù)靶向組學關注的對象，針對性的采集樣本。比如進行脂質(zhì)組學時，選用對脂質(zhì)有較好溶解能力的溶劑。靶向代謝物的定量是基于在標準品的定量標準曲線上的，所以需要準備優(yōu)質(zhì)的標準品。

　　2、實驗分析

　　在靶向方法中，天然和同位素標記的標準品促進了代謝產(chǎn)物的鑒定和定量，減少了假陽性現(xiàn)象。定量代謝組學可用于在組織或生物體中建立代謝物基線水平，用于實驗室間比較，或用于定義代謝正常與“擾動”狀態(tài)。使用同位素標記的內(nèi)標(IS)也可以幫助解釋影響分析精度的基質(zhì)誘導的電離效應，從而提高生物反應檢測試驗的靈敏度。

　　3、數(shù)據(jù)分析

　　由于靶向代謝組學關注有限種類的代謝物，所以數(shù)據(jù)分析比非靶向代謝組學更為簡單和直接。使用的方法和數(shù)據(jù)庫和非靶向代謝組學相似，但是對于某類代謝組，有特定的數(shù)據(jù)庫，如針對糖類和脂質(zhì)組的LipidMaps和LipidBank等數(shù)據(jù)庫。

　　圖  靶向代謝組學分析流程

　　由于兩種代謝組學方法各有優(yōu)缺點，非靶向代謝組學無偏差，全面系統(tǒng)反應生命體代謝組特征，但是重復性較差且線性范圍有限;而靶向代謝組學的重復性和敏感性有顯著提高，代謝物確證簡單，線性范圍寬，但是需要有預先的知識背景，是一種有偏向的代謝組分析方法。因此在實際應用中，兩者常常結合使用，共同發(fā)揮作用。