代謝組學分析方法

1. 簡述代謝組學的概念、研究技術和應用。

代謝組學是上世紀九十年代中期發展起來的一門新興學科，是系統生物學的重要組成部分。它是關於生物體系內源代謝物質種類、數量及其變化規律的科學，研究生物整體、系統或器官的內源性代謝物質及其所受內在或外在因素的影響。

代謝組學利用高通量、高靈敏度與高精確度的現代分析技術，對細胞、有機體分泌出來的體液中的代謝物的整體組成進行動態跟蹤分析，藉助多變數統計分析方法，來辯識和解析被研究對象的生理、病理狀態及其與環境因子、基因組成等的關系。「代謝組學」是一種整體性的研究策略，其研究策略有點類似於通過分析發動機的尾氣成分，來研究發動機的運行規律和故障診斷等的「反向工程學」的技術思路。由於代謝組學著眼於把研究對象作為一個整體來觀察和分析，也被稱為「整體的系統生物學」。

通過現代超高效液相色譜/高分辨質譜聯用儀等技術分析體液中的代謝物組成譜，並利用多變數統計分析技術，把所有代謝物的組成信息都整合到一起，為在系統和整體的層面上比較和分析生物的代謝特性開辟了新的技術路線，具有廣闊的發展前景。近幾年來，已經有越來越多的學者將現代代謝組學技術運用到人體和動物的整體代謝與功能性研究中。

代謝組學創始人、英國帝國理工大學Jeremy Nicholson教授認為人體應該作為一個完整的系統來研究，應用代謝組學來理解疾病過程，與中醫的整體觀和辨「證」論治思維方式不謀而合。代謝組學和中醫中葯的哲學觀相吻合，代謝組學是研究中葯最好的選擇。研究中葯這種復雜混合物的毒性，代謝組學是最好的方法，選擇不同產地、不同數量、不同組分的中葯，做出代謝組圖，根據組成變化與毒性、葯效相對應，就可把有效的成分最大化，把有毒的東西剔除。同樣，代謝組學也是中葯質量控制的主要研究手段，有利於中葯的出口和國際化。

代謝組學與有著幾千年歷史的中醫學在許多方面有相近的屬性，它們的有機結合將可能有力地推動中醫葯理論的現代化進程。代謝組學」可能成為我國傳統醫學走向國際化的通用語言。上海系統生物醫學研究中心與上海中醫葯大學合作，在用代謝組學研究中醫腎陽虛證的分子機理、中葯腎毒性的預測以及支持中葯在國際市場的登記注冊等方面已經取得很好成效，顯示了代謝組學與中國傳統中醫葯結合的強大生命力。

代謝組學是從整體上研究復雜生命現象的新興學科。研究代謝組學的關鍵是要發展大規模、並行化測定復雜混合體系中代謝物組成信息和對大量數據進行分析和建模的能力。技術手段的發展是代謝組學發展的關鍵因素。上海系統生物醫學研究中心依託上海交通大學強大的工程學和理學研究力量，結合深厚豐富的臨床和基礎醫學研究經驗，致力於代謝組學研究具有相當的優勢。

美國Waters公司是全球分析儀器領域的先導者，在復雜體系分析領域獨樹一幟，具有領先的分析平台, 配套的計算軟體和雄厚的技術儲備。學科的發展催生學科研究工具的產生，近年來，他們根據代謝組學發展的要求，與代謝組學創始人Jeremy Nicholson教授合作，首創全球領先的超高效液相色譜UPLC技術，與高分辨質譜技術和計算技術結合，推出了以超高效液相色譜/高分辨質譜聯用儀UPLC-QTOF為代表的代謝組學分析系統，一次可以從尿液樣品中快速獲取2萬多個數據點，為從整體上深入把握人體的生理代謝狀況，細致入微地刻畫和反映人體的疾病過程，提供了先進可行的工具。

為了加快代謝組學的發展，特別是推動我國傳統醫葯國際化的進程，上海系統生物醫學研究中心和美國Waters公司決定成立國際一流的代謝組學聯合實驗室，並於2006年6月23日在上海交通大學舉行了正式的簽約儀式，雙方承諾共同努力將此實驗室建設成為我國發展代謝組學的研究基地，人員培訓基地和生物醫葯新用途開發基地。聯合實驗室將邀請代謝組學創始人、英國帝國理工大學Jeremy Nicholson教授擔任顧問，計劃每年定期在上海舉行代謝組學高級研修班，這將極大的促進我國代謝組學的研究進展和增強及時跟蹤國際前沿研究動向的能力,對於推動我國生物醫葯事業的發展具有十分重要的意義。

2. 健康人的代謝組學可以做哪些內容

科技名詞定義
中文名稱：基因組學 英文名稱：genomics 定義1：研究基因組的結構、功能及表達產物的學科。基因組的產物不僅是蛋白質，還有許多復雜功能的rna。包括三個不同的亞領域，即結構基因組學、功能基因組學和比較基因組學。 應用學科：生物化學與分子生物學（一級學科）；總論（二級學科） 定義2：研究生物體全基因組dna的序列和屬性的學科。包括在dna（基因型）、mrna（轉錄物組）和蛋白質（蛋白質組）水平上研究細胞或組織的所有基因。 應用學科：細胞生物學（一級學科）；總論（二級學科） 定義3：研究生物體基因組的組成、結構與功能的學科。 應用學科：遺傳學（一級學科）；總論（二級學科）
基因組研究應該包括兩方面的內容：以全基因組測序為目標的結構基因組學（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functional genomics)，又被稱為後基因組（postgenome）研究，成為系統生物學的重要方法。 基因組學能為一些疾病提供新的診斷，治療方法。例如，對剛診斷為乳腺癌的女性，一個名為「oncotype dx」的基因組測試，能用來評估病人乳腺癌復發的個體危險率以及化療效果，這有助於醫生獲得更多的治療信息並進行個性化醫療。基因組學還被用於食品與農業部門。 基因組學與遺傳學發展里程碑
基因組學的主要工具和方法包括： 生物信息學，遺傳分析，基因表達測量和基因功能鑒定。 基因組學出現於1980年代，1990年代隨著幾個物種基因組計劃的啟動，基因組學取得長足發展。 相關領域是遺傳學，其研究基因以及在遺傳中的功能。 1980年，噬菌體 φ-x174;(5,368 鹼基對)完全測序，成為第一個測定的基因組。 1995年，嗜血流感菌（haemophilus influenzae，1.8mb）測序完成，是第一個測定的自由生活物種。從這時起，基因組測序工作迅速展開。 2001年，人類基因組計劃公布了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁。 基因組學是研究生物基因組的組成,組內各基因的精確結構、相互關系及表達調控的科學。基因組學、轉錄組學、蛋白質組學與代謝組學等一同構成系統生物學的組學（omics）生物技術基礎。 基因組研究應該包括兩方面的內容：以全基因組測序為目標的結構基因組學（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functional genomics)，又被稱為後基因組（postgenome）研究，成為系統生物學的重要方法。
編輯本段功能基因組學
基因組dna測序是人類對自身基因組認識的第一步。隨著測序的完成，功能基因組學研究成為研究的主流，它從基因組信息與外界環境相互作用的高度，闡明基因組的功能。功能基因組學的研究內容：人類基因組 dna 序列變異性研究、基因組表達調控的研究、模式生物體的研究和生物信息學的研究等。 (1)基因組表達及調控的研究。在全細胞的水平，識別所有基因組表達產物mrna和蛋白質，以及兩者的相互作用，闡明基因組表達在發育過程和不同環境壓力下的時、空的整體調控網路。 (2)人類基因信息的識別和鑒定。要提取基因組功能信息，識別和鑒定基因序列是必不可少的基礎工作。基因識別需採用生物信息學、計算生物學技術和生物學實驗手段，並將理論方法和實驗結合起來。基於理論的方法主要從已經掌握的大量核酸序列數據入手，發展序列比較、基因組比較及基因預測理論方法。識別基因的生物學手段主要基於以下的原理和思路：根據可表達序列標簽(sts)；對染色體特異性cosmid進行直接的cdna選擇；根據cpg島；差異顯示及相關原理；外顯子捕獲及相關原理；基因晶元技術；基因組掃描；突變檢測體系，等等。 （3）基因功能信息的提取和鑒定。包括：人類基因突變體的系統鑒定；基因表達譜的繪制；「基因改變-功能改變」的鑒定；蛋白質水平、修飾狀態和相互作用的檢測。 （4）在測序和基因多樣性分析。人類基因組計劃得到的基因組序列雖然具有代表性，但是每個人的基因組並非完全一樣，基因組序列存在著差異。基因組的差異反映在表型上就形成個體的差異，如黑人與白人的差異，高個與矮個的差異，健康人與遺傳病人的差異，等等。出現最多基因多態性就是單核苷酸多態性(snps)。 （5）比較基因組學。將人類基因組與模式生物基因組進行比較，這一方面有助於根據同源性方法分析人類基因的功能，另一方面有助於發現人類和其他生物的本質差異，探索遺傳語言的奧秘 。
編輯本段結構基因組學
結構基因組學是繼人類基因組之後又一個國際性大科學熱點，主要目的是試圖在生物體的整體水平上（如全基因組、全細胞或完整的生物體）測定出（以實驗為主、包括理論預測）全部蛋白質分子、 結構基因組學與蛋白折疊
蛋白質－蛋白質、蛋白質－核酸、蛋白質－多糖、蛋白質－蛋白質－核酸－多糖、蛋白質與其他生物分子復合體的精細三維結構，以獲得一幅完整的、能夠在細胞中定位以及在各種生物學代謝途徑、生理途徑、信號傳導途徑中全部蛋白質在原子水平的三維結構全息圖。在此基礎上，使人們有可能在基因組學、蛋白質組學、分子細胞生物學以致生物體整體水平上理解生命的原理。 對疾病機理的闡明、對疾病的防治有重要應用意義。
發展回顧
1998年4月,由美國國家醫學科學院（nigms）和wellcome trust發起在英國召開了第一次國際結構基因組會議，美國、法國、英國、德國、加拿大、日本、荷蘭、義大利以及以色列的9國科學家參加了會議。2000年9月，美國nigms決定首批投入1.5億美元，在美國建設7個研究中心（目前已經發展成為10個），爭取在未來10年內解出1萬個蛋白質的三維結構，建立蛋白質的氨基酸殘基序列、三維結構和生物功能之間的有機聯系，同時也支持結構基因組方法學的研究。2002年，10家大型國際制葯公司宣布啟動結構基因組研究。2000年11月，日本組織召開國際會議討論結構基因組計劃的有關問題，確定了完成測定3000個蛋白質三維結構的「protein3000計劃」。2001年4月，在美國召開了第二次國際結構基因組會議,表明新一輪大規模的國際合作研究已經開始。
主要進展
我國在結構生物學研究方面具有較好的基礎。60年代，我國科學家在世界上首次人工合成了胰島素；70年代初又測定出1.8 埃; 解析度的豬胰島素三維結構，成為世界上為數不多的能夠測定生物大分子三維結構的國家，這些研究工作處於當時的世界先進水平。在國際結構基因組研究剛露端倪之時，我國科學家就敏感地抓住了這一新動向，2000年我國開展了結構基因組學的研究。近來，國家863計劃、973計劃、中國科學院知識創新工程、國家重大攻關項目、自然科學基金先後重點資助了結構基因組學的研究工作和相關技術平台的建設。相關研究工作既有分工、又有交叉合作，並充分地考慮到了我國基因組水平研究的特點和我國在結構解析方法研究在國際上的地位。並計劃在參加國際合作的基礎上，在逐步建立基因組研究技術平台的同時， 相關圖書《葯物基因組學 》
五年之中完成200－300個蛋白質三維結構的測定。 我國的結構生物學研究隊伍近年來不斷發展壯大，中國科學院生物物理所、中國科技大學、北京大學、清華大學以及中國科學院物理所、高能所、上海生命科學院、福州物質結構所、上海復旦大學等單位均是我國開展結構基因組研究的重要基地。 我國結構基因組學研究雖然啟動時間較短，但已經獲得了不少重要進展。 據初步統計，已經完成了近千個克隆，已表達出210個蛋白質，其中有100多個可溶或部分可溶；獲得近30個結晶和nmr樣品，已經測定出5個結構。

3. 代謝組學研究方法與灌胃試劑有關系嗎

代謝組學(metabonomics)是後基因組時代的一門新興學科,通過現代分析技術直接檢測生物體液或組織, 對完整的生物體(而不是單個細胞)中隨時間改變的內源性生化代謝產物進行統計、比較與分析,然後將這些多維代謝軌跡與病、生理過程或葯物療效、毒副作用等生物學事件關聯起來。代謝組學研究開始於1999年,早期主要選用核磁共振光譜(NMR)法,分析生物學體液或組織的代謝組, 採用統計學方法尋找各影響因素的生物標志物。

4. 闡述代謝組學研究中對代謝物進行分離分析的常用技術有哪些

闡述代謝組學研究中對代謝物進行分離分析的常用技術有哪些
代謝組學的研究方法與蛋白質組學的方法類似，通常有兩種方法。一種方法稱作代謝物指紋分析 （metabolomic fingerprinting），採用液相色譜-質譜聯用（LC-MS）的方法，比較不同血樣中各自的代謝產物以確定其中所有的代謝產物。從本質上來說，代謝指紋分析涉及比較不同個體中代謝產物的質譜峰，最終了解不同化合物的結構，建立一套完備的識別這些不同化合物特徵的分析方法。另一種方法是代謝輪廓分析（metabolomic profiling）,研究人員假定了一條特定的代謝途徑，並對此進行更深入的研究。
對於代謝產物來說，不僅只有質譜峰這個特徵。更進一步說，質譜（MS）並不能檢測出所有的代謝產物，並不是因為質譜的靈敏度不夠，而是由於質譜只能檢測離子化的物質，但有些代謝產物在質譜儀中不能被離子化。採用核磁共振（NMR）的方法，可以彌補色譜的不足。劍橋大學的Jules Griffin博士，正在使用質譜與核磁共振結合的方法，試圖建立機體中的完整代謝途徑圖譜。Griffin用核磁共振檢測高豐度的代謝產物，由於核磁共振檢測的靈敏度不高，所以只用於分析低豐度代謝產物。

5. 靶向代謝組學和非靶向代謝組學的區別

靶向代謝組學新技術，區別於傳統的非定向代謝組學，具有如下優勢：
1.樣品種類多：生物流體（血液、尿、唾液、腸道微生物）、環境樣品、細胞、動植物組織、污水、葯品、食品。
2.化合物涵蓋廣：包括脂類、維生素、核苷酸、神經遞質等700種代謝產物，涵蓋所有主要代謝途徑。
3.分析時間短：我們的方法能在30min同時測定並准確鑒定出700種化合物。
4.復雜的數據處理：專業的數據處理方法和軟體，能對所得數據進行PLS-DA,PCA,ANOVA,VIP,Biomarker等分析。

6. 代謝組學工作前景

是不錯的，但是代謝組本身還是一個發展中的新型學科，一些關鍵性技術還有待突破，如果你只想使用代謝組學而不去深入的研究它的話就應該沒問題，如果想要進一步研究代謝組學方法就需要有相當的分析化學知識。現在世界前十的葯廠都在使用代謝組學進行葯學研究，所以它在裡面的前景肯定是不會差的。隨著技術的發展肯定會越來越好。
代謝組學是繼基因組學和蛋白質組學之後新近發展起來的一門學科，是系統生物學的重要組成部分。之後得到迅速發展並滲透到多項領域，比如疾病診斷、醫葯研製開發、營養食品科學、毒理學、環境學，植物學等與人類健康護理密切相關的領域。
與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學將在臨床上發揮更大的作用。許多公司通過市場研究發現，健康人並不希望進行基因型分析，所以，對於這些人群來說，基因組學研究在臨床上的應用很有限。而代謝組學與臨床化學較為相似，且相對於基因組學來說，提供的個人信息更少，故其在臨床上的應用有可能產生一定的影響。較低的費用，是促使代謝組學在臨床上易於接受的另一個原因。Griffin博士指出，與其他「組學」研究相比，代謝組學的費用更低，研究人員可以通過代謝組學研究篩檢出代謝產物，然後採用更昂貴的基因組學和蛋白質組學的方法對有意義的代謝產物進一步加以研究。首先，必須識別出代謝產物，這並不是簡單的工作。Siuzak博士認為，代謝組學研究最大的挑戰就在於對代謝產物的識別，這也是最有趣的方面，而更具挑戰性的工作，是進一步確認所有代謝物的功能。此外，質譜分析發現，代謝產物的同質性不高，由於缺乏均勻性，使色譜分析變得更加困難，無法識別出樣品中的未知物質。

7. 為什麼代謝組學分析代謝物的分子量要小於1000

為什麼代謝組學分析代謝物的分子量要小於1000
代謝組學是對一系列相似的生物樣本中的代謝物進行比較分析的學科.代謝物在生物系統中起著至關重要的作用,因此代謝組學可用於發現和鑒定生物標志物,或更好地了解葯物或疾病對已知和未知生物通路的影響.成功的代謝物組學研究依賴於有效的代謝物提取.對於非靶向代謝組學研究,需要提取細胞和體液中的多種代謝物,並去除無需分析的蛋白質等成分.再加上代謝物的理化性質多樣,豐度動輒相差若干數量級,更進一步增加了提取的難度.液液萃取這種兩相分離方法常被用於代謝物的提取.液液萃取中有機溶劑和水溶液的性質、體積、溶劑比例、水溶液的pH 值都必須仔細考慮.這些因素會顯著影響提取的代謝物數量和實驗的重現性.本應用報告介紹了採用液液萃取提取紅細胞代謝物的方法.結果表明,調整水相/有機相的比例對於兩相分離非常重要.同時水相pH 值對提取的代謝物數量也有很大影響,為了提取盡可能多的代謝物,需要採用多個pH 值進行提取.

8. 比較概述基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的概念、研究方法、優缺點及應用設想

組學omics，研究的是整體. 按照分析目標不同主要分為基因組學，轉錄組學，蛋白質組學，代謝組學。
基因組學研究的主要是基因組DNA，使用方法目前以二代測序為主，將基因組拆成小片段後再用生物信息學演算法進行迭代組裝。當然這僅僅是第一步，隨後還有繁瑣的基因注釋等數據分析工作。
轉錄組學研究的是某個時間點的mRNA總和，可以用晶元，也可以用測序。晶元是用已知的基因探針，測序則有可能發現新的mRNA,
蛋白組學針對的是全體蛋白，組要以2D-Gel和質譜為主，分為top-down和bottom-up分析方法。理念和基因組類似，將蛋白用特定的物料化學手段分解成小肽段，在通過質量反推蛋白序列，最後進行搜索，標識已知未知的蛋白序列。
代謝組分析的代謝產物，是大分子和小分子的混合物，主要也是用液相和質譜。
總而言之，這些技術都想從全局找變數，都是一種top-down的研究方法，原因很簡單：避免『只緣身在此山中』的尷尬。
但因為技術局限，都各有缺點，尤其是轉錄組和蛋白組數據，基本上顛覆了以前一直認為的mRNA水平能代表蛋白水平的觀念，因為這兩組數據的重合度太低。
所以目前很多研究都開始使用交叉驗證方法。
無論如何，都需要對數據進行分析，有經驗的分析往往能化腐朽為神奇。

9. 代謝組學究竟是一門什麼樣的研究方向

代謝組是測定細胞內所有代謝小分子（如TAC裡面各種代謝產物）的含量，蛋白質組是測定體內各種蛋白質含量。 相同點大概就是都主要是靠質譜 蛋白質組已經比較成熟，有很好的搜庫（鑒定）手段，以及比較好定量手段，如SILAC，TMT等方法，一次一般可以測量幾千個蛋白 代謝組（可能不同的機構會有不同，以下僅基於我了解到的數據）各個實驗室一般需要建立自己的庫，一般也就幾百個小分子。一般會把質譜的正負離子模式都掃一下，暫時沒有通用的定量方法，所以數據可信度不如蛋白質組高 一般蛋白質組更為常用，代謝組的話需要有特定的研究方向，比如研究脂肪代謝之類的，就針對那些油脂分子 PS：用質譜研究葯物代謝和研究組學其實差別很大的，做組學的話如果不是某些特殊情況，你自己不會分析譜圖也不是太影響結果，只要看得懂by離子就好了。看LZ的意思，估計是不需要用到蛋白質組了，代謝組我也只是剛開始做，只能說protocol我們用下面這個，具體的分析步驟得看實驗室需求。代謝組學有一個很熱門的應用，就是用來鑒定微生物的taxonomy。在不少大的生物技術公司和農業公司，除了用16S rRNA和基因組判定taxonomy,還會結合代謝組學的數據。而taxonomy的鑒定在這些大公司的微生物研發產品線里是很重要的一環