代謝組學(xué)是什么?

　　新陳代謝是生物體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)的總成，是生命體維系生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是研究生命活動的重要依據(jù)。代謝組是研究生命過程中和外部環(huán)境影響下的內(nèi)源代謝活動，包括對代謝物種類、數(shù)量及變化規(guī)律的檢測與分析，從而探討群體生命活動發(fā)生與發(fā)展的本質(zhì)。代謝組學(xué)相對于其它組學(xué)有許多優(yōu)點：

　　代謝產(chǎn)物種類、數(shù)量變化容易檢測;

　　與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)相比，技術(shù)手段更加簡單;

　　相對于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝產(chǎn)物少，易于檢測、驗證和分析;

　　新陳代謝水平的變化可以實時反映機(jī)體的生理病理狀態(tài)。

　　代謝組分類：

　　根據(jù)研究目標(biāo)的不同，代謝組學(xué)可分為非靶向代謝組和靶向代謝組。非靶向性代謝組學(xué)是對生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物的全面、系統(tǒng)分析，是這種無傾向的代謝組學(xué)分析，能發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)記物。靶向性代謝組學(xué)是針對這種特殊代謝物的研究分析。它們都有各自的優(yōu)缺點，經(jīng)常聯(lián)合操作來發(fā)現(xiàn)和定量不同的代謝產(chǎn)物，深入研究和分析后續(xù)代謝分子標(biāo)記，這些方式在食品鑒定、疾病研究、動物模型驗證、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病診斷、藥物研發(fā)、藥物篩選、藥物評價、臨床研究、植物代謝、微生物代謝研究等方面發(fā)揮重要作用。

　　非靶向性代謝組學(xué)是以比較有限的情況專業(yè)知識為基礎(chǔ)，對整個生命體代謝組學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)鑒定分析，獲取代謝物數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)差異代謝物。非目的代謝組學(xué)主要包括以下幾個步驟：

　　1.樣品收集和加工。

　　常用的代謝組分析樣本有血漿、尿、組織、細(xì)胞、細(xì)胞器等。樣本量大，樣本個體差異所引起的誤差較小。在復(fù)雜的代謝組學(xué)樣品中，有許多可能干擾實驗結(jié)果，是影響代謝組學(xué)研究成功與否的關(guān)鍵因素。常見的樣品處理方式有蛋白質(zhì)沉淀、差速離心萃取(固相萃取、液液萃取、超臨界流體萃取、加速溶劑萃取)。

　　2.實驗分析。

　　代謝組通常須要操作多種分析技術(shù)手段，以滿足不同的實驗需求。常用的代謝組學(xué)技術(shù)包括：NMR(NMR)、LC-MS(LC-MS)、GC-MS(GC-MS)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(CD-MS)、HILIC--MS等。高分辨率質(zhì)譜技術(shù)主要有TOF-MS、FTICR-MS、Orbitrap-MS、Sector-MS等。

　　3.資料分析。

　　資料預(yù)處理：利用XCMS、MZmine、MarkerView等工具對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　鑒別代謝物：常用的研究方法有主成分分析(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。對數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也須要通過t檢驗和變量權(quán)重重要性排序(variableimportanceinprojection,VIP)來篩選不同的代謝物。一般而言，P<0.05,VIP>1.0的變數(shù)為差異性代謝產(chǎn)物。

　　代謝性途徑分析：常見的代謝組學(xué)途徑數(shù)據(jù)庫包括HMDB、KEGG、Reactome、BioCyc、MetaCyc等，它們可用于代謝途徑和互作網(wǎng)絡(luò)分析。

　　多組分析：多組分析已成為組學(xué)發(fā)現(xiàn)的趨勢。這些數(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等等。

　　相對于非靶向代謝組學(xué)而言，靶向代謝組學(xué)更具針對性，它把注意力集中在一些或幾種生物事件相關(guān)的代謝物，如脂質(zhì)組學(xué)、糖組學(xué)等。

　　目的代謝組學(xué)是以目標(biāo)群體學(xué)關(guān)注的對象為目的，有針對性地收集樣本。例如在進(jìn)行脂質(zhì)組學(xué)時，要選擇溶于油脂的溶劑。目的代謝產(chǎn)物的定量分析是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的定量標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行的，因此須要準(zhǔn)備合格的標(biāo)準(zhǔn)品。

　　采用靶向法，天然標(biāo)記物和同位素標(biāo)記物有助于代謝產(chǎn)物的識別和定量，減少假陽性。定量分析方式可以用來建立組織或有機(jī)體的代謝物的基線水平，用來進(jìn)行實驗室間的比較，或者用來確定代謝的正常和干擾狀態(tài)。利用同位素標(biāo)記的內(nèi)標(biāo)(IS)還能幫助解釋影響分析精度的離子化效應(yīng)，從而提高生物反應(yīng)檢測試驗的有效性。

　　由于靶向代謝組學(xué)研究的是比較有限種類的代謝產(chǎn)物，數(shù)據(jù)分析比非靶向代謝組學(xué)更簡單、更直接。所用的方式類似于數(shù)據(jù)庫和非目的代謝組學(xué)，但對于某一類代謝組，有專門的數(shù)據(jù)庫，例如LipidMaps和LipidBank，目的是糖類和脂質(zhì)組。

　　因2種代謝組學(xué)方式各有優(yōu)缺點，非靶向代謝組學(xué)無偏倚，且具備整體性的生物代謝組特點，但重復(fù)性差，線性范圍比較有限;靶向代謝組學(xué)的重復(fù)性和敏感性逐步提高，代謝物確定簡單，線性范圍寬，但須要有提前的專業(yè)知識情況，是這種傾向于代謝組研究方法。因此 在實際操作中，這2種方式通常聯(lián)合操作，共同發(fā)揮作用。