代谢组学_生命科学研究的新平台
代谢组学 生命科学研究的新平台
穆塔里甫 吾布利哈斯木 综述 哈木拉提 吾甫尔 审校
(新疆医科大学,新疆 乌鲁木齐 830011)
中图分类号:R34 文献标识码:A 文章编号:1009 5551(2009)05 0648 04
人类基因组计划的基本完成表明后基因组时代的到来.生命科学的主要任务是基因组功能分析。有人估计认识其功能比认识其结构任务更艰巨,花时间更长(50年或更长)。研究的热点转移到基因的功能和几个组学!研究:以基因、mRN A、蛋白质、代谢产物为研究对象的基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学。进一步提出系统生物学概念,系统生物学包括转录组、蛋白质组、代谢组学分析等分子生物学研究,涉及数学分析、计算机应用、模型建立和仿真等诸多方面的研究内容[1-2]。遗传信息由基因经转录物向功能蛋白质传递.基因功能由其表达产物来体现。基因与蛋白质的表达紧密相连,代谢物则更多地反映了细胞所处的环境,如营养状态,药物和环境污染等影响。细胞内的生命活动大多发生于代谢层面,如细胞信号释放、能量传递、细胞间通信等,故代谢组学被认为是组学!研究的最终方向。
代谢组指的是一个细胞、组织或器官中,所有代谢组分的集合,尤其小分子物质!,而代谢组学则是一门在新陈代谢的动态进程中,系统研究代谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代谢本质!的科学。
1 代谢组学研究的历史回顾
N icho lson于1999年提出了代谢组学(metabonomics)的概念。他是通过考察生物体系受刺激或扰动后(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随时间的变化,研究生物体系的代谢途径[3]。严格地说,代谢物组应该是指某一生物或细胞所有的代谢产物(metabolite)。在实际工作中,由于分析手段的局限性,更多人倾向于把代谢物组局限于某一生物或细胞中所有的低相对分子质量代谢产物。与基因组学、转录组学和蛋白质组学相对应,代谢物组学是一门对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析,以监测活细胞中化学变化的科学。在人们逐步的研究过程中,提出了一些相关概念,如代谢物靶目标分析(metabolite tar get analysis)、代谢轮廓(谱)分析(metabolic prof iling analy sis)、代谢组学(metabonomics 或met abo lom ics)和代谢指纹分析(metabolic fing er pr int ing analysis)。其中,metabo lomics和metabonomics分别从met abo lome和met abo no me演化而来。
M etabo lo mics最早出现在F iehn小组的工作中,Fie hn[4-7]研究小组主要研究植物生理代谢网络,其分析技术主要以G C/M S为主,也利用NM R和M S技术;而met abo nomics主要利用核磁共振手段分析动物体的代谢过程。因此有人提出以分析手段来区分metabolomics和met abo nomics,目前国内的代谢组学研究小组基本达成共识,即用metabonomics一词来表示代谢组学!。
2 代谢组学的研究方法
F iehn研究小组的一系列有关植物代谢网络的研究比较有代表性,他们用GC/M S方法对模板植物拟南芥的叶子提取物进行了研究,定量分析了326个化合物,并确定了其中部分化合物的结构[6]。N icholson等在长期研究生物体液的基础上提出的基于核磁共振(N M R)方法的metabonomics,是定量研究有机体对由病理生理刺激或遗传变异引起的、与时间相关的多参数代谢应答,它主要利用核磁共振技术和模式识别方法对生物体液和组织进行系统测量和分析,对完整的生物体(而不是单个细胞)中随时间改变的代谢物进行动态跟踪检测、定量和分类,然后将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学事件关联起来,从而确定发生这些变化的靶器官和作用位点,进而确定相关的生物标志物。代谢物组学研究细胞或生物样品的所有代谢物的综合表现???全局观点,通常采用绘图技术、现代分析测定方法(N M R,HP LC, M S)以及应用计算技术和统计方法,以高通量的实验和大规模的计算为特征,完成指纹图谱!(fing er print)。其中核磁共振(NM R)在药物代谢物组学研究中显示出极高的地位。
1H N M R测定时样品用量少,一般0.3ml,一维谱的测定仅需5min,快速、简便,与色谱法比,突出的优点是对生物样品的预处理简单,这使得N M R法更具实用性;N M R谱的无损伤特点还使其可以检测整体动物或人体特定器官细胞内的代谢物组。核磁共振技术是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术,生命科学领域中常用的是氢谱(1H N M R)、碳谱(13CN M R)及磷谱(31P N M R)三种。代谢物组学测定的对象是生物标本,包括生物体液(如血液、尿液、脑脊液、精液及唾液等)、细胞提取物、细胞培养液和组织等。研究内容包括:测定代谢物变化???研究系统生化谱和功能调节;应用代谢物组信息???进行生物信息、化学计量学、统计学分析。常用的是体液分析研究。以氢谱(1H N M R)为例[8],将准备好的生物标本(包括各种体液或组织提取液),直接上样检测即可。所得的1H NM R谱峰与样品中各化合物的氢原子对应,根据一定的规则或与标准氢谱比照可以直接鉴定出代谢物的化学成分,信号的相对强弱则反映了各成分的相对含量。不同样品的代谢物图谱有其特质性,类似样品的指纹!一样;对这种特质性进行区分、鉴定,被称为代谢指纹分析(metabolic fing er print analysis)!,帮助找出机体代谢的共性与个性。除了G C/M S和核磁共振之外,H PL C和L C/T OF/M S也被用于这方面的研究[9]。
3 NMR 代谢组学研究的核心
与M S和H PL C相比,N M R的缺点是灵敏度较低,但其优点也是非常明显的。NM R方法具有无损伤性,不会破坏样品的结构和性质,可在接近生理条件下进行实验,可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件;可以进行实时和动态的检测;可设计多种编辑手段,实验方法灵活多样。而M S则存在离子化程度和基质干扰等问题。NM R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。因此,NM R方法很适合研究代谢产物中的复杂成分。实际上,N M R氢谱很早就被用于研究生物体液,从一维高分辨1H谱图可得到代谢物成分图谱,即代谢指纹图谱[10]。N M R样品只需要简单的预处理。尿液和血清是代谢组学研究中的主要样品[11]。对于尿样,需要通过离心除去固体悬浮物质,然后加入磷酸盐缓冲液,保证所有样品的pH值都在一个很小的范围内,这样才能保证所得到的谱图中相同化合物的谱峰在相同的位置。对于尿样,常用的实验方法是1D1H谱,通常采用加预饱和的1D N OESY脉冲序列,这样可以得到较好的水峰抑制效果和较平直的基线。同时采用较高的数字分辨率和较长的弛豫延迟,以保证能够区分化学位移相近的谱峰,且能够得到准确的积分。而对于血清样品,则需要采用弛豫编辑[12]或扩散编辑[13]的方法来分别观测小分子和大分子的谱峰。随着N M R技术的发展,以前用于固体的魔角旋转(M A S)技术被移植到液体领域,使得人们可以研究以前难以用液体N M R研究的样品,如器官组织样品。利用M AS 技术,人们可以得到完整的组织样品高分辨谱图[14],扩展了代谢组学研究的样品范围,同时可以更全面地对一个系统进行深入的研究。
4 代谢组学研究的应用
4.1 药物毒理作用的应用 新药发现和开发领域中基因组学和蛋白质组学等新技术的应用,发展并推进了药物作用靶位或受体的发现和鉴别。组合化学提供的大量化合物以及从天然产物(包括中草药)提取的大量样品,为建立高通量筛选提供了在细胞和分子水平进行评价筛选化合物,以发现新的生物活性物质。但从整体观念来看,新药的发现最终必须在整体动物的药理和疾病模型上予以证实,才能将生物活性化合物转化为候选化合物进入开发研究。在此过程中,上述新技术还存在较多的缺陷。代谢组学研究可以区别不同种属、不同品系动物模型的代谢状态,鉴别与人体疾病状态的差异,寻找人类疾病、药效和毒性的适宜动物模型。在用动物实验的结果或细胞水平的实验结果预测人的实验结果,生物标志物起着桥梁的作用。
4.2 药物作用机制的研究 代谢组学研究代谢指纹图谱!,它不仅研究药物本身的代谢变化,而主要是研究药物引起的内源性代谢物的变化,更直接反映体内生物化学过程和状态的变化。通过认识体液代谢指纹图谱!变化的原因,阐明药物作用靶点或受体。从药物学角度看,依据药物分子与受体分子之间的反应规律,在药物分子结构和效应的关系基础上发现新药并最终使新药具有更好的疗效和更少的毒性和副作用。利用代谢组学研究磷酸二酯酶IV抑制剂CI 1018形成的血管损伤与炎症反应的关系,发现该化合物引起的尿代谢物组图谱改变是血管损伤造成的,与炎症反应无关[15]。又如抗糖尿病药物罗格列酮对脂质代谢物组的影响的实验中,发现其作用机制是抑制动物肝脏血液的脂交换[16-17]。从成功的例子不难看出,用代谢组学方法研究所揭示的生物化学变化很容易与传统手段的测定结果联系,更容易评价药效作用和发现药物作用的生物化学物质基础和作用机制。
4.3 药物的临床前毒性评价 N icho lson研究小组利用基于N M R的代谢组学技术,在药物的毒性评价方面做了大量卓有成效的工作。其工作涵盖分析平台的建立、结果的重现性分析和改进、基因改变及相应代谢响应的特性研究、化学计量学方法等。六家制药公司(Bristo l M eyer s Squibb,Eli L illy,H offmann L a R oche,No vo N o rdisk,Pfizer,and P har macia)和英国伦敦帝国理工大学联合组成了COM ET (Co nso rtium fo r M etabonomic T o x icolo gy)联盟,在CO M ET的研究项目中,主要利用1H N M R技术、模式识别和专家系统,根据已知毒性物质的病理效应对被检测的生物组织进行分类。该项目的主要目标是:(1)对实验对象(老鼠的尿液、血清和组织)中代谢物的病理和生化变化进行详细的多维描述;(2)建立加入有毒药物!后代谢产物的N M R谱图数据库;(3)建立毒性预测的专家系统;(4)寻找各类生物标记物;(5)通过对有毒和无毒类似物的分类,测试所建立的专家系统[18]。现在,CO M ET正在建立老鼠尿中和雄性动物血清中代谢物的N M R谱图库,研究人员大约要对150种典型药物进行研究。
4.4 药物的临床前安全性评价 临床前安全性评价的目的是提供新药对人类健康危害程度的科学依据,预测上市新药对人类健康的危害程度。药物毒理学的目的是观察和测定化学物质对机体引起的损害、发病机制以及对机体本身的影响。而在研究中能够提供更多重要信息的是毒性病理学的研究。毒性病理检查能够判定药物造成病理性损伤的部位、程度、性质和预后等基本问题,因而可为药物的安全性提供重要的依据。在毒理学研究中大部分实验要进行动物试验,无论是急性毒性试验、长期毒性试验、致畸试验、致癌试验等病变的发现,部位的确定,病因的探索都离不开毒性病理学的检查和诊断。试验的周期越长,毒性病理学检查的结果就越重要。因此,毒性病理学是毒理学中最为重要的组成部分,也是临床前安全性评价工作中最重要的环节。用新技术新方法进行毒性机制的研究是国际上一个重要的发展趋势。安全性评价必须在保证检测数据可靠性的同时,引进先进的分子生物学等新技术和新方法,深入地进行毒性机制的研究,提高安全性评价的技术分析水平。代谢组学已经作为一种独立的技术被广泛地应用于候选药物的毒性评价,还被几家制药公司纳入其药物研发方案中。许多生物化学、毒理学和临床化学的问题都可以用基于高分辨1H NM R的代谢组学来加以阐述。从生物体液的1H NM R谱图可以得到大量的代谢物数据,并由此确定毒性的靶器官,推导出毒性的生化机制,发现损伤的发生、发展和消失过程中的生物标记物[19-20]。
4.5 疾病诊断 由于机体的病理变化,机体的代谢产物也相应地产生了某种变化。对这些由疾病引起的代谢产物的响应进行代谢组学分析,能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径,发现疾病的生物标记物,并辅助临床诊断。Brindle等[21]应用1H N M R技术,以36例严重心血管疾病患者(tr iple vessel disease,T V D)和30例心血管动脉硬化患者(nor mal cor onary arter ies,N CA)的血清和血浆为研究对象,进行了代谢组学分析,结合PCA、SIM CA、PL S/DA、O SC PL S等模式识别技术建立了判别心血管疾病及其严重程度的新诊断方法。该方法的灵敏度及专一性高于90%并且具有最小限度的侵入性,仅需几滴血液,就可利用核磁共振指纹谱和计算机模式识别技术,判断出心脏病的严重程度。它优于传统的血管造影术,用于检测心脏病时具有快速、廉价、安全的优点且副作用少。Xu等[22-24]采用毛细管电泳方法(CE),通过代谢靶标分析,以尿中13~15种核苷浓度为数据矢量,用PCA法处理数据,对分别患有10多种癌症的68位癌症病人和54位正常人进行分类研究,识别率达72%。对用H PL C法测定206位正常人和296位肿瘤患者尿中15种核苷排放水平进行研究,也得到类似的结果。
5 中药研究进展
我国中药的应用已有上千年的历史,在疾病的预防与治疗、肌体的康复与保健等方面为人类做出了不可替代的贡献。但中药质量标准偏低、成分不清楚、疗效不稳定等问题也一直严重地阻碍着中药标准化和现代化的进程,成为制约中药走向国际市场的关键。中药指纹图谱的提出为定性、定量地描述中药特性,对中药的生产加工进行有效地质量控制和管理提供了一种崭新有效的方法。
6 代谢组学研究的展望
目前代谢组学技术可以从一个生物样品中检测出数百种低相对分子质量的化合物。这些化合物的相互作用可以和细胞的生物化学和生理学相联系。利用代谢组学作为技术手段的研究项目将会越来越多。代谢组学的研究侧重于寻找相关特定组分的共性加以分析、判断,使诊断、治疗力求个体化,如何把握个体及小样本群体的特质是今后努力的方向。
代谢组学在药物开发、临床诊断、微生物和植物、营养科学中的重要性已越来越显现。F ront Line策略咨询公司在其#代谢产物组:市场与技术的战略评估报告?中预测,代谢组学技术将广泛应用到药物靶点的发现、新药的开发、毒理学研究、疾病的预防和诊断及农业等领域。此外,代谢组学分析系统的硬件、软件技术都将进一步提高,朝着整合化、自动化和高通量的方向发展,使人们能够以更快的速度对代谢组更大的部分实现自动分析和可视化。国内代谢组学的发展才刚刚起步,还有许多基础工作有待完善。核磁共振实验方法的选择和优化,数据分析所采用的化学计量学方法的发展和选择,这些方面的工作还有很多可以开展。在分析手段方面,各种技术都各有所长,怎样进行优势互补,使得各种分析技术的数据能统一、交叉验证也是一个亟待解决的问题。参考文献:
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[收稿日期:2009 01 03]
雷公藤免疫调节作用对血栓闭塞性脉管炎的影响*
张建勇,邓明飞
(新疆医科大学附属中医医院,新疆 乌鲁木齐 830000)
中图分类号:R392;R654.4 文献标识码:A 文章编号:1009 5551(2009)05 0651 03
血栓闭塞性脉管炎(thr omboangit is o bliter ans,T AO),又称Buerg er%s病(Buer ger%sdisease)。是一种以中、小动脉和静脉节段性、无菌性炎症和血管腔内血栓形成为特征的慢性闭塞性疾病。W iniw arter[1]于1878年首先描述该病,称之为闭塞性动脉内膜炎(endar teritis o bliter ans)。Buerg er[2]通过系统地研究于1908年为其命名为血栓闭塞性脉管炎。该病多见35~50岁男性患者,寒冷地区发病较高。发病机理不清,多数患者不适宜血管转流或血管腔内介入成形术,静脉动脉化及自体骨髓肝细胞治疗效果不确切,目前各种药物治疗远期疗效不满意,致残率高,严重影响病人的生活质量。为探索T A O的治疗方法,现就雷公藤免疫调节作用对血栓闭塞性脉管炎的影响综述如下。
1 雷公藤免疫调节作用的研究进展
雷公藤是卫矛科雷公藤属木质藤本植物,主要产于中国南部地区,雷公藤红素(T ripter ine)、雷公藤内酯酮(T r ip to nide)、雷公藤甲素(T r ipt olide)和雷公藤乙素(T r ipdiolide)是其主要活性成分。雷公藤具有抗炎、抗菌、抗生育、免疫抑制、抗肿瘤等多种药理作用,临床上常用于治疗风湿性疾病、自身免疫性疾病、器官移植、肾病、哮喘、肿瘤等。雷公藤免疫调节的抗炎作用,广泛用于临床。
T细胞是整个免疫应答的中心环节,以T细胞为靶向的免疫干预,能有效地控制机体的免疫损害。雷公藤对T 细胞具有多方面的调节作用。Chen等[3]研究P G490 88(雷甲素的一种半合成衍生物)对移植物抗宿主病(G VH D)的影响。体外实验发现,当V beta3+细胞在对数生长期扩增时, P G490 88能抑制脾脏CD+4V beta3+和CD+8Vbeta3+T细胞的表达(64,0.9%和34,0.2%),并可能以此抑制同种异体反应性T细胞扩增,从而阻止G V HD的发生。雷公藤还能抑制抗原、超抗原以及丝裂原诱导的T细胞增殖。
在许多自身免疫疾病中存在T细胞亚型CD4和CD8细胞的异常,雷公藤的治疗作用与其调节CD4和CD8的比例有关。临床中用雷公藤多甙治疗儿童过敏性紫癜(HSP)疗效满意。H SP患儿外周血CD4及CD4/CD8比值升高,提示CD4T细胞优势活化,雷公藤多甙能抑制辅助性CD4T细胞功能,改善CD8T细胞功能,下调CD4/CD8的比例而产生临床效应。雷公藤多甙能使患者外周血降低的CD3、CD4及CD4/CD8比值均升高并能恢复于正常,但CD4细胞数治疗前后无明显变化。由此可见,雷公藤对T细胞亚群比例具有多种调节作用,并可能以此发挥药理作用。
细胞因子(cytokine)是由免疫细胞分泌的、能调节细胞功能的小分子多肽,在机体免疫应答过程中有重要作用。雷公藤及其提取物对体内多种细胞因子都有调节作用。T NF 和IL 6对炎症起促进作用,是自身免疫性疾病中造成病理性损害的主要原因。T NF 与类风湿性关节炎(RA)有密切关系,在RA炎症、软骨吸收和骨破坏中起重要作用。目前很多治疗类风湿性关节炎的重要生物制剂也多以T N F 为靶点。IL 6则主要与T N F 起协同作用,雷甲素能通过抑制T NF 的生成,进而抑制IL 6的产生,抑制炎症反
*基金项目:自治区科学研究和技术开发(含攻关)项目(200733111)
生物学的基本研究方法
生物学的基本研究方法 一、基础知识： （1）、_________和_______是科学探究基本方法。也是我们学习生物学的基本方法。 (2)、实践可以给研究者提供现象、数据等资料，是检验_______、形成科学理论的实践基础。 实验的一般规程是：1. ________________________ 2、_____________________________ 3、________________________ 4、________________________________ 5、_________________________________________ (3)正确使用显微镜的步骤是：1. ________________________ 2、_____________________________ 3、________________________4、_________________________5、____________________________ 在显微镜下观察到的物像是________像。 （4）科学探究的基本过程是;1. _____________ 2、_____________3、______________ 4、________________________ 5、___________________ 6、__________________________ 实验中单一变量原则：变量是______________________，在一个实验中，除了要研究的变量以外，其余的变量都应__________，并控制在__________状态。 （5）什么叫对照实验？_________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ （6）收集资料和分析资料有什么好处？ _________________________________________ _________________________________________ （7）测量 在测量中如何提高数据的可靠性？_________________________________________ （8）调查：调查是科学探究的常用方法。 完成一项调查需要做好哪几个方面工作？________________________________ ________________________________________________________________ （9）综合起来科学探究的方法概括起来有： 1、2、3、 4 二、探究训练 1、使用显微镜对光的程序是（） ①选遮光器上较大的光圈对准通光孔②转动转换器，使低倍物镜对准通光孔，③左眼注视目 镜，右眼睁开④转动反光镜，使光线通过通光孔反射到镜筒内 A、①→②→③→④ B、②→①→③→④ C、③→④→②→① D、③→②→①→④ 2、小明在用显微镜进行观察时看到了一个小黑点，移动载玻片和物镜，小黑点不动，由此可判断小 黑点可能在( ) A 目镜上 B 物镜上 C 载玻片上 D 反光镜上 3、当显微镜的目镜为10X、物镜为10X时，在视野直径范围内看到一行相连的8个细胞。若目镜 不变，物镜换成40X时，则在视野中可看到这行细胞中的（） A．2个B．4个C．16个D．32个 4、小强在显微镜下观察到了洋葱表皮细胞后，兴奋地向同学描述，并把显微镜轻轻挪动给同组同学，
代谢组学的数据分析技术
代谢组学的数据分析技术 摘要：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。文章主要综述了将代谢组学中的图谱、数据信息转换为相应的参数所采用的分析方法。 关键词：代谢组学；数据分析方法 代谢组学是以代谢物分析的整体方法来研究功能蛋白如何产生能量和处理体内物质，评价细胞和体液内源性和外源性代谢物浓度及功能关系的新兴学科，是系统生物学的重要组成部分，其相应的研究能反映基因组、转录组和蛋白组受内外环境影响后相互协调作用的最终结果，更接近反映细胞或生物的表型，因此被越来越广泛地应用。而代谢组学的数据分析包括预处理和统计分析方法，多元统计分析方法主要分为两大类：非监督和监督方法，非监督方法包括主成分分析PCA；聚类分析CA等；监督方法包括显著性分析、偏最小二乘法等，本文就是主要综述代谢组学图谱信息转化为参数信息所采用的数据分析方法。 1预处理 数据的预处理过程包括以下：谱图的处理；生成原始的数据矩阵；数据的归一化以及标准化处理过程。针对实验性质、条件以及样品等因素采用不同的预处理方法。在实际应用过程中，预处理可以通过实验系统自带的软件如XCMS软件。进行，因此一般较容易获得所需的数据形式。 2数据分析方法 2.1 主成分分析PCA是多元统计中最常用的一种方法，它是在最大程度上提取原始信息的同时对数据进行降维处理的过程，其目的是将分散的信息集中到几个综合指标即主成分上，有助于简化分析和多维数据的可视化，进而通过主成分来描述机体代谢变化的情况。PCA 的具体过程是通过一种空间转换，形成新的样本集，按照贡献率的大小进行排序，贡献率最大的称为第一主成分，依次类推。经验指出，当累计贡献率大于85％时所提取的主成分就能代表原始数据的绝大多数信息，可停止提取主成分。在代谢组数据处理中，PCA是最早且广泛使用的多变量模式识别方法之一。，具有不损失样品基本信息、对原始数据进行降维处理的同时避免原始数据的共线性问题等优点，但在实际应用过程中，PCA存在着自身的缺点[1]：离群样本点的存在严重影响其生物标志物的寻找；非保守性的代谢组分扰乱正确的分类以及尺度的差异影响小浓度组分的表现等，其他的问题之前也有讨论[2]。针对PCA 的缺陷采用了不同的改进措施，与此同时，为了简化计算，侯咏佳等[3]。提出了一种主成分分析算法的FPGA实现方案，通过Givens算法和CORD IC算法的矢量旋转，用简单的移位和加法操作来实现协方差矩阵的特征分析，只需计算上三角元素，因此计算复杂度小、迭代收敛速度快。 2.2 聚类分析CA是用多元统计技术进行分类的一种方法。其主要原理是：利用同类样本应彼此相似，相类似的样本在多维空间里的彼此距离应较小，而不同类的样本在多维空间里的
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分子微生物学１12３０0０0３林兵 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施，基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用，与此同时, 代谢组学(ｍｅtaｂoloｍiｃs）在2０世纪90年代中期产生并迅速地发展起来，与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用，它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律.这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障. 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Ｊereｍｙ N ichｏｌson教授提出的，他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统，机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。20０0年，德国马普所的Fｉeｈn等提出了代谢组学的概念，但是与Ｎ ichoｌs ｏn提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程，也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。同时Ｆieｈn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类: 代谢物靶标分析，代谢轮廓（谱)分析, 代谢组学，代谢指纹分析。现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的定义: 代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。 与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同, 代谢组学的主要研究思想是全局观点。与传统的代谢研究相比, 代谢组学融合了物理学、生物学及分析化学等多学科知识, 利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测，并通过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物, 而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的，因此，代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化，这使研究对象从微观的基因变为宏观的代谢物，宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直观，易于理解, 这点也是代谢组学研究的优势之一. 代谢组学的优势主要包括：对机体损伤小，所得到的信息量大，相对于基因组学和蛋白质组学检测更加容易。由于代谢组学发展的时间较短, 并且由于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的小分子物质，因此对分析手段的要求比较高, 在数据处理和模式识别上也不成熟，存在一些不足之处。同时生物体代谢物组变化快, 稳定性较难控制，当机体的生理和药理效应超敏时，受试物即使没有相关毒性，也可能引起明显的代谢变化，导致假阳性结果。 代谢组学应用领域大致可以分为以下7个方面：
植物代谢组学的研究方法及其应用
植物代谢组学的研究方法及其应用 ★★★ BlueGuy(金币+3)不错，谢谢！ 近年来，随着生命科学研究的发展，尤其是在完成拟南芥(Arabidopsis thaliana) 和水稻(Oryza sativa) 等植物的基因组测序后，植物生物学发生了翻天覆地的变化。人们已经把目光从基因的测序转移到了基因的功能研究。在研究DNA 的基因组学、mRNA 的转录组学及蛋白质的蛋白组学后，接踵而来的是研究代谢物的代谢组学(Hall et al.，2002)。代谢组学的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物，代谢组学则是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科(Goodacre，2004)。它是以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标的系统生物学的一个分支。 代谢物是细胞调控过程的终产物，它们的种类和数量变化被视为生物系统对基因或环境变化的最终响应(Fiehn，2002)。植物内源代谢物对植物的生长发育有重要作用(Pichersky and Gang，2000)。植物中代谢物超过20万种，有维持植物生命活动和生长发育所必需的初生代谢物；还有利用初生代谢物生成的与植物抗病和抗逆关系密切的次生代谢物，所以对植物代谢物进行分析是十分必要的。 但是，由于植物代谢物在时间和空间都具有高度的动态性(stitt and Fernie，2003)。尤其是次生代谢物种类繁多、结构迥异，且产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性，难于进行分离分析，所以人们一直在寻找更为强大的检测分析工具。在代谢物分析领域，人们已经提出了目标分析、代谢产物指纹分析、代谢产物轮廓分析和代谢表型分析、代谢组学分析等概念。20世纪90年代初，Sauter 等(1991)首先将代谢组分析引入植物系统诊断，此后关于植物代谢组学的研究逐年增多。随着拟南芥等植物的基因组测序完成以及代谢物分析手段的改进和提高，今后几年进入此研究领域的科学家和研究机构将越来越多。 1研究方法 代谢组学分析流程包括样品制备、代谢物成分分析鉴定和数据分析与解释。由于植物中代谢物的种类繁多，而目前可用的成分检测和数据分析方法又多种多样，所以根据研究对象不同，采用的样品制备、分离鉴定手段及数据分析方法各不相同。 1.1样品制备 植物代谢物样品制备分为组织取样、匀浆、抽提、保存和样品预处理等步骤(Weckwerth and Fiehn，2002)。代谢产物通常用水或有机溶剂(如甲醇和己烷等)分别提取，获得水提取物和有机溶剂提取物，从而把非极性的亲脂相和极性相分开。分析之前，通常先用固相微萃取、固相萃取和亲和色谱等方法进行预处理(邱德有和黄璐琦，2004)。然而植物代谢物千差万别，其中很多物质稍受干扰结构就会发生改变，且对其分析鉴定所采用的设备也不同。目前还没有适合所有代谢物的抽提方法，通常只能根据所要分析的代谢物特性及使用的鉴定手段选择合适的提取方法。而抽提时间、温度、溶剂成分和质量及实验者的技巧等诸多因素也将影响样品制备的水平。
代谢组学在医药领域的应用与进展
代谢组学在医药领域的应用与进展 一、学习指导 1.学习代谢组学的概念及内涵，掌握代谢组学的研究对象与分析方法。 2.熟悉代谢组学数据分析技术手段 3.了解代谢组学优势特点 4.了解代谢组学在医药领域的应用 5.了解代谢组学发展趋势 二、正文 基因组功能解析是后基因组时代生命科学研究的热点之一，由于基因功能的复杂性和生物系统的完整性，必然要从“整体”层面上来理解构成生物体系的各个模块功能。随着新的测量技术、高通量的分析方法、先进的信息科学和系统科学新理论的发展，加上生物学研究的深入和生物信息的大量积累，使得在系统水平上研究由分子生物学发现的组件所构成的生命体系成为可能[1]。系统生物学家们认为，将生命科学上升为“综合”科学的时机已经成熟，生命科学再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物学时代进入到系统生物学时代[2]。系统生物学不同以往的实验生物学仅关注个别基因和蛋白质，它要研究所有基因、蛋白质，代谢物等组分间的所有相互关系，通过整合各组成成分的信息，以数学方法建立模型描述系统结构[3,4]。 （一）代谢组学的概念及内涵 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，系统生物学的重要组成部分，也是目前组学领域研究的热点之一。代谢组学术语在国际上有两个英文名，即metabolomics 和metabonomics。Metabolomics是由德国的植物学家Fiehn等通过对植物代谢物研究提出来的，认为代谢组学（metabolomics）是定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学[5]。英国Nicholson研究小组从毒理学角度分析大鼠尿液成份时提出了代谢组学（Metabonomics）的概念，认为代谢组学是通过考察生物体系受扰动或刺激后（如某个特定基因变异或环境变化后），其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化来研究生物体系的代谢途径的一种技术[6]。国内的代谢组学研究小组基本用metabonomics一词来表示“代谢组学”。严格地说，代谢组学所研究的对象应该包括生物系统中所有的代谢产物。但由于实际分析手段的局限性，只对各种代谢路径底物和产物的小分子物质（MW<1Kd）进行测定和分析。 （二）代谢组学优势特点 代谢组学作为系统生物学的一个重要组成部分，代谢组可以更好地反映体系表型生物机体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，在从基因到性状的生物信息传递链中，机体需通过不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部以及与外界环境的正常动态平衡[7]。
代谢组学在植物研究领域中的应用
Botanical Research 植物学研究, 2016, 5(1), 26-33 Published Online January 2016 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/791061976.html,/journal/br https://www.wendangku.net/doc/791061976.html,/10.12677/br.2016.51005 Application of Metabolomics in Plant Research Guixiao La1, Xi Hao1, Xiangyang Li1, Mingyi Ou2, Tiegang Yang1* 1Industrial Crops Research Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou Henan 2China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd., Guiyang Guizhou Received: Dec. 10th, 2015; accepted: Dec. 25th, 2015; published: Dec. 30th, 2015 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/791061976.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Metabolomics is an emerging omics technology after genomics and proteomics, which can qualify and quantify all small molecular weight metabolites in an organism or cells in a short time. With the technology development of gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS), liquid chroma-tography-mass spectrometer (LC-MS) and capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS), and the improvement of data process method and presented huge advantages, plant metabolomics has been used in multiple research fields such as functional genomics, metabolism pathway, crop improvement... In this paper, we reviewed the recent progress in plant metabolomics and the put-ative problem in this research field. Moreover, the application prospects of the plant metabolom-ics were also forecasted. Keywords Metabolomics, Plant, Advance, Prospect 代谢组学在植物研究领域中的应用 腊贵晓1，郝西1，理向阳1，欧明毅2，杨铁钢1? 1河南省农业科学院经济作物研究所，河南郑州 2贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳 *通讯作者。
药用植物代谢组学的研究进展
药用植物代谢组学的研究进展 【摘要】从技术步骤、分析方法以及实际应用三个方面对当前药用植物代谢组学研究领域的一些理论问题和实践中面临的挑战进行综述。 【关键词】药用植物;代谢组学;功能基因组学 代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术[1],它是系统生物学的重要组成部分(如图1所示),药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响,如气候变化、营养胁迫、生物胁迫,以及基因的突变和重组等引起的微小变化,是物种表型分析最强有力的工具之一。在现代中药研究中,代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。另外,在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前,代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。目前,国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子,这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础 目前,还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成,由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解,所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值,这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识,Fiehn[2]对代谢组学有关的研究方向进行了分类(见表1)。 1代谢组学研究的技术步骤 代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面(见图2)。 1.1植物栽培 对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制,相对于微生物和动物而言,植物的人工栽培需要考 表1代谢组学的分类及定义略 虑更多的问题,如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢组研究的重复性。为了解决以上问题,推荐使用大容量的培养箱[3],定时更换培养箱中栽培对象的位置,以及使用无土栽培技术等,Fukusaki E[4]利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给量进行精确地控制,大大提高了实验的重复性。 1.2样本制备 为了获得稳定的实验结果,样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题,并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择,逐一优化试验方案。Maharjan RP等[5]用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取,发现用-40℃甲醇进行提取的效果最好。现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子,尤其是初级代谢产物,气相色谱 质谱联用(GC MS)和毛细管电泳 质谱(CE MS)联用都是分析亲水小分子的重要技术。Fiehn O等[6]使用GC MS 对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析,发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。 1.3衍生化处理 对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备,GC MS系统只适
代谢组学分析技术的新进展
系统生物学的飞速发展促使科学研究体系发生了巨大 变化，研究理念从以往的“个体论”过渡到当今的“整体论”。而各种“组学”的研究也应运而生，代谢组学即是其中一个重要分支。代谢物是细胞生理活动的最终产物。当细胞所处环境发生变化，如遗传信息改变、毒物药物作用、细菌病毒侵入等时，均会使细胞产生的内源性生物小分子发生相应变化，而代谢组学就是通过研究这些小分子物质来推断生物系统对基因或环境变化而产生的最终应答[1-4]。代谢组学作为一门新兴学科，已广泛应用于毒理学研究、药物研发、疾病的诊断和治疗等方面。与此同时，代谢组学的分析技术也随着研究的深入而不断发展。 代谢组学的概念 早在1983年，Nicholson等[5]首先应用核磁共振氢谱（1H NMR）来检测血浆、血清中的小分子代谢物。而直到1999年，Nicholson等[6]才正式将代谢组学定义为，以动物的体液和组织为研究对象，研究生物体对病理生理刺激或基因修饰产生的代谢物质其质和量的动态变化，关注的对象为相对分子质量在1000以下的小分子化合物。2000年，Fiehn等[7]正式提出“代谢组学（metabolomics）”这个名词。 Fiehn[3]将生物体系的代谢产物分析分为4个层次。 ①代谢物靶标分析：可对代谢物组中某一个特定的组分进行分析，主要用于筛选和要求高灵敏度物质的分析。②代谢物谱分析：可对一种特定的代谢物进行分析，如碳水化合物、氨基酸等，主要在药物研究中描述特定化学药品分解代谢途径[8]。代谢物谱这个概念目前应用已十分广泛，甚至已代替原有的“代谢组学”概念[9]。③代谢物组分析：可在限定条件下对特定生物样品中所有代谢物组分进行定性和定量分析。代谢物组包括细胞内代谢物及细胞外液代谢物，必须要有严格的样品制备和分析技术。④代谢物指纹分析：细胞产生的代谢物通过核磁共振（NMR）或质谱（MS）分析，得到的光谱就是这个代谢物的“指纹”。这种分析方法不分离鉴定具体单一组分，只是对样品进行快速分类。 代谢组学相关技术及进展 代谢组学研究过程包括3个步骤，即样品的制备、代谢物的分离和检测、数据分析及模型的建立[10]。 一、代谢组学的研究样品 因尿液、血清或血浆包含上百种待测物质，获取途径也较方便，已成为目前代谢组学研究中最常用的样本[11]，其他如脑脊液、胆汁、消化液、唾液、精液、羊水等，亦可作为代谢组学研究的样本。 血液样本反映机体对病理或生理刺激的瞬时信息，评价机体的动态平衡。尿液标本常包含一段时间内产生的代谢信息，反映机体当前的生理或病理状态、生物学年龄，也可预测各种先天不足或外环境影响的致病率。组织包含的代谢物可帮助判断该组织所属器官发生生物学进程改变后所产生的分子信息，因此可用来解释机体如何对刺激作出生化应答[11]。 当然，因为样本的制备过程及获取途径不同，选取不同样本，得到的数据会有相应差异。如在血制品中，血浆和血清都可作为代谢组学的研究样本。Liu等[12]通过气相色谱-飞行时间质谱（GC-TOF-MS）方法分别检测血清和血浆中的代谢物谱，发现在血清或血浆的准备过程中，血液的待检时间会影响代谢物的峰面积。这对血浆的影响更大，等待时间越长，血清中某些代谢物含量会显著增高，而血浆中则大大减少，故认为血清更适合作为代谢组学的研究样本。 样品存储也是代谢组学研究中一个重要的环节，主要目的就是尽可能保留最原始的代谢信息，避免实验误差。最佳保存方式是液氮或－80℃的低温冰箱。 二、代谢产物分析技术 NMR光谱技术和MS技术是目前最常用的2种代谢组学分析方法。 1．NMR光谱：NMR技术是最早被用于代谢组学研究的技术之一[5]，其利用原子核在磁场中的能量变化来获得相关核信息。目前常用的有1H-NMR、碳谱（13C-NMR）和磷谱（31P-NMR），其中以1H-NMR应用最为广泛[13]。 NMR技术几乎不需要进行样品前处理，可快速对样本进行分析，即使样本量极少，也可获得大量信息[14]。NMR为非侵入性操作，不破坏样本，是现有代谢组学分析技术中唯一能用于活体和原位研究的技术。同时利用NMR弛豫特性 ·综述· 代谢组学分析技术的新进展 邱青青，燕敏，李琛 （上海交通大学医学院附属瑞金医院外科，上海200025）关键词：代谢组学；分析技术；核磁共振氢谱 中图分类号：R364.2文献标识码：C文章编号：1671-2870（2011）01-0082-04 基金项目：上海市自然科学基金（10411967000） 通讯作者：李琛E-mail:leechendoc@https://www.wendangku.net/doc/791061976.html,
代谢组学综述
代谢组学综述 摘要：代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,由于其广泛的应用前景,目前已成为系统生物学的重要组成部分。现简要介绍了代谢组学的含义、代谢组学研究的历史沿革、当前代谢组学研究中的分析技术、数据解析方法,综述了代谢组学在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域的应用情况,并对当前代谢组学研究中存在的问题及发展趋势进行探讨。 关键词：代谢组学研究技术 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组学（metabolomics）在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律。这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Jeremy N icholson教授提出的, 他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统, 机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。2000年, 德国马普所的Fiehn等提出了代谢组学的概念, 但是与N icholson提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程, 也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代
代谢组学研究进展综述
代谢组学技术及其在中医研究中的探讨 姓名：郭欣欣学号：22009283 导师：刘慧荣 代谢组学(metabonomics) 是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科,是关于生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 其代谢产物(内源代谢物质) 种类、数量及其变化规律的科学。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。常用的方法是检测和量化一个生物整体代谢随时间变化的规律;建立内在和外在因素影响下,代谢整体的变化轨迹,反映某种病理(生理) 过程中所发生的一系列生物事件。 1 代谢组学研究技术平台 代谢组学研究的技术平台包括以下几个部分:前期的样品制备,中期的代谢产物检测、分析与鉴定以及后期的数据分析与模型建立。 前期代谢组学研究常用的检测技术,一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但离体条件下,细胞或组织内的代谢状态可迅速改变,代谢物的质与量亦随之变化,为正确反映在体的真实信息,须立即阻断内在酶的活性。最为常用的是冰冻/液氮降温法及冷冻、干燥的保存技术,尽管如此,细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽量避免氧化等活化因素。 中期代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学技术的核心部分,最常用的是NMR及质谱(MS)两种。 核磁共振技术是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术,生命科学领域中常用的是氢谱( 1H NMR ) 、碳谱(13C NMR)及磷谱(31P NMR)三种。可用于体液或组织提取液和活体分析两大类。 NMR技术在代谢组学中的应用越来越广泛,它具有如下优点: ①无损伤性,不破坏样品的结构和性质; ②可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生理条件的实验; ③与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交换、运动等代谢产物的变化规律; ④实验方法灵活多样。但仪器价格及维护费用昂贵限制了该技术的进一步普及。 质谱技术是将离子化的原子、分子或是分子碎片按质量或是质荷比(m/e)大小顺序排列成图谱,并在此基础上,进行各种无机物、有机物的定性或定量分析。新的离子化技术则使质谱技术的灵敏度和准确度均有很大程度的提高。NMR技术与MS技术相比,各有其优缺点,需要在研究中灵活选用。总体而言,NMR技术应用的更为广泛。此外,根据代谢组学的研究需要,还常用于其他的一些分析技术,如气相色谱(GC) ,高效液相色谱仪(HPLC) ,高效毛细管电泳(HPCE)等。它们往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。但不容忽视的是,随着分析手段更新,敏感性及分辨率提高,“假阳性”的概率也就越大,可能是仪器技术方法固有的，亦或是数据分析过程中产生的。 后期代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台。它往往借助于一定的软件,联合多种数据分析技术,将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析,发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与机体代谢的关系。如果说分析技术在我们面前打开了“一扇门”,正确的数据分析方法和模型建立便是“找到宝藏”的钥匙。 主成分分析法( PCA) 是最常用的分析方法。其将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标(PC)上,如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等,利用主成分描述机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的作用,避免淹没于大量数据中。其他的模式识别技术,如聚类分析、辨别式功能分析、最小二乘法投影法等在代谢组学研究中亦有其重要的地位。 现实情况下,代谢组学的数据更为复杂,特别是NMR对病理生理过程的研究,将代谢物的表达谱与时间相联系,分析时更加困难,需要借助复杂的模型或是专家系统进行分析(在应用
代谢组学技术在烟草研究中的应用进展_王小莉
2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展 王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞 （河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002） 摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。 关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能 中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016 Research of Metabolomics in Tobacco WANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function 代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。 烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出 基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150） 作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@https://www.wendangku.net/doc/791061976.html, *通信作者，E-mail：zhaomingqin@https://www.wendangku.net/doc/791061976.html, 收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19
生命学院《生命科学研究方法》学习心得体会
生命学院《生命科学研究方法》学习心得体会 1 1 《生命科学研究方法》学习心得体会 《生命科学研究方法》一课旨在让我们了解在研究生期间应该怎样做科研。包括培养科学的意识、实验平台的利用、实验仪器技术的初步了解，为今后的科研打下基础。 了解各个先进仪器的功能和高级数据分析的知识是必不可少的，它能让我们得到更多、更有效的结果，提高研究档次，利用科研共享平台可以提高科技创新能力。 首先，我了解到了生科院的科研共享平台、分析测试中心、光电国家实验室生物光学成像研究平台、设备处大型仪器设备共享平台等平台，以及账号注册、仪器借用的基本流程，对这些平台的仪器有一个大概了解。 这些仪器中，我们接触较多的有影像系统（小动物活体成像、荧光显微镜）和分离检测系统（HPLC 、质谱）等。由于我们药物所经常做动物实验，小动物活体成像对我们来说是必要的仪器，它能在不杀死小白鼠的情况下观察小白鼠体内的病灶，这对研究药效和药代都有重要意义，而且小动物活体成像可以节约实验动物、实验时间，避免不同样本间的个体差异，提高数据精准度。荧光标记成像在生物学的应用非常广泛，相关技术的发展为我们的观察与定量提供方便。质谱和高效液相色谱（HPLC ）也是常用技术，随着蛋白组学、脂质组学的兴起，高效液相色谱和质谱连用技术也不断发展。通过条件的控制我们可以检测成百上千种代谢物，然后做系统分析，从全局出发寻找变化规律，为科研提供新思路。 有一个好的仪器固然重要，但首先我们要有一个好的实验设计，当我们了解各种仪器的功能特性之后，就要学会利用它们。设计高水平的实验技术路线，达到更精确的检测与更准确的判断。 《生命科学研究方法》这门课邀请的大多是相关仪器平台的负责人，它们有着专业的仪器操作技术和运用仪器平台解决实际问题的能力，这是值得我们学习的。目前，了解高端仪器的操作的人才也是供不应求的，所以认真学习仪器的使用也是一项重要的事情。技术的发展为科学研究提供便利，而科学研究推动技术的发展，我们应该为此而努力。
代谢组学分析系统技术指标
代谢组学分析系统 1.工作条件： 1.1 电压：220V（±10%）单相，50Hz(±1)。 1.2 环境温度：19-22o C 1.3 相对湿度：<70% * 2.设备用途和基本组成 2.1 仪器用途：所提供仪器为高分辨率，高灵敏度、高通量的分析系统，配以 专业的数据分析处理软件构成代谢组学专用分析系统，从而快速 寻找标记物。 2.2 仪器组成 2.2.1 仪器由超效液相色谱-四极杆/二级碰撞室/飞行时间质谱组成的系统，和 专用代谢组学分析软件以及代谢物分析软件构成，具有先进的中医药代 谢组学研究分析功能。 * 2.2.2 质谱主机要求配置同一厂家生产的液相色谱仪，具有良好的兼容性。 * 2.2.3 具备准确质量测定功能 准确质量测定的内标必须有独立于实测样品的通道进入离子源，内标不得 干扰实际样品的数据结果，并且质量准度<2ppm。 2.2.4 真空系统 要求完全被保护的多级真空系统，具有自动断电保护功能，采用分子涡轮 泵。离子源和质谱间有隔断阀。便于源清洗和日常维护。 * 2.2.5 碰撞室具有两级碰撞功能。分为以下部分： 捕获富集单元：具有离子传输富集、碰撞室两种功能 传输单元：具有离子传输、碰撞室两种功能 * 2.2.6 检测器 检测器由单个微通道板离子计数检测，可检测正负离子和采集MS和 MS/MS的数据, TDC转换速率>4.0 GHz。 * 2.2.7 数据采集和处理系统 工作站用于仪器控制和采集, 1024MB RAM, 200GB硬盘，DVD-ROM，
刻录光盘驱动器，1.44MB 3.5英寸软驱。 软件基于Windows XP 操作系统的应用软件包括集成化的仪器控制、数据处理等软件，代谢组学分析软件以及代谢物分析软件等。 3 仪器的详细技术指标 3.1 液相色谱仪 * 液相色谱仪必须是能够耐超高压（1000bar）的超高效液相色谱仪(UPLC)。3.1.1 可编程二元梯度泵。 溶剂数量：4 流速范围：0.010 - 2mL/min，步进0.001mL/min， 流速精度：< 0.075% RSD，流速准确度：±1%， 泵耐压：0 - 15000psi（1000bar） 梯度设定范围：0 - 100% *系统延迟体积：< 120uL 3.1.2 二极管阵列检测器 波长范围：190-700nm. *测量范围：0.0001～4.0000AUFS *采样速率：40点/秒 流通池：500nl低扩散 3.1.3 自动进样器系统 样品数量：96孔板、384孔板、24x4ml瓶、48x2ml瓶 进样范围：0.1- 50 μL, “针内针”样品探针。 温度范围：4-40摄氏度 3.1.4 在线脱气系统 真空脱气：六通道在线脱气机 3.1.5 柱加热系统 控温范围：室温+5---65摄氏度 3.1.6 专用色谱柱； * 1.7μ, 2.1 mm x 50 mm Column