代谢组学分析方法

1. 简述代谢组学的概念、研究技术和应用。

代谢组学是上世纪九十年代中期发展起来的一门新兴学科，是系统生物学的重要组成部分。它是关于生物体系内源代谢物质种类、数量及其变化规律的科学，研究生物整体、系统或器官的内源性代谢物质及其所受内在或外在因素的影响。

代谢组学利用高通量、高灵敏度与高精确度的现代分析技术，对细胞、有机体分泌出来的体液中的代谢物的整体组成进行动态跟踪分析，借助多变量统计分析方法，来辩识和解析被研究对象的生理、病理状态及其与环境因子、基因组成等的关系。“代谢组学”是一种整体性的研究策略，其研究策略有点类似于通过分析发动机的尾气成分，来研究发动机的运行规律和故障诊断等的“反向工程学”的技术思路。由于代谢组学着眼于把研究对象作为一个整体来观察和分析，也被称为“整体的系统生物学”。

通过现代超高效液相色谱/高分辨质谱联用仪等技术分析体液中的代谢物组成谱，并利用多变量统计分析技术，把所有代谢物的组成信息都整合到一起，为在系统和整体的层面上比较和分析生物的代谢特性开辟了新的技术路线，具有广阔的发展前景。近几年来，已经有越来越多的学者将现代代谢组学技术运用到人体和动物的整体代谢与功能性研究中。

代谢组学创始人、英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授认为人体应该作为一个完整的系统来研究，应用代谢组学来理解疾病过程，与中医的整体观和辨“证”论治思维方式不谋而合。代谢组学和中医中药的哲学观相吻合，代谢组学是研究中药最好的选择。研究中药这种复杂混合物的毒性，代谢组学是最好的方法，选择不同产地、不同数量、不同组分的中药，做出代谢组图，根据组成变化与毒性、药效相对应，就可把有效的成分最大化，把有毒的东西剔除。同样，代谢组学也是中药质量控制的主要研究手段，有利于中药的出口和国际化。

代谢组学与有着几千年历史的中医学在许多方面有相近的属性，它们的有机结合将可能有力地推动中医药理论的现代化进程。代谢组学”可能成为我国传统医学走向国际化的通用语言。上海系统生物医学研究中心与上海中医药大学合作，在用代谢组学研究中医肾阳虚证的分子机理、中药肾毒性的预测以及支持中药在国际市场的登记注册等方面已经取得很好成效，显示了代谢组学与中国传统中医药结合的强大生命力。

代谢组学是从整体上研究复杂生命现象的新兴学科。研究代谢组学的关键是要发展大规模、并行化测定复杂混合体系中代谢物组成信息和对大量数据进行分析和建模的能力。技术手段的发展是代谢组学发展的关键因素。上海系统生物医学研究中心依托上海交通大学强大的工程学和理学研究力量，结合深厚丰富的临床和基础医学研究经验，致力于代谢组学研究具有相当的优势。

美国Waters公司是全球分析仪器领域的先导者，在复杂体系分析领域独树一帜，具有领先的分析平台, 配套的计算软件和雄厚的技术储备。学科的发展催生学科研究工具的产生，近年来，他们根据代谢组学发展的要求，与代谢组学创始人Jeremy Nicholson教授合作，首创全球领先的超高效液相色谱UPLC技术，与高分辨质谱技术和计算技术结合，推出了以超高效液相色谱/高分辨质谱联用仪UPLC-QTOF为代表的代谢组学分析系统，一次可以从尿液样品中快速获取2万多个数据点，为从整体上深入把握人体的生理代谢状况，细致入微地刻画和反映人体的疾病过程，提供了先进可行的工具。

为了加快代谢组学的发展，特别是推动我国传统医药国际化的进程，上海系统生物医学研究中心和美国Waters公司决定成立国际一流的代谢组学联合实验室，并于2006年6月23日在上海交通大学举行了正式的签约仪式，双方承诺共同努力将此实验室建设成为我国发展代谢组学的研究基地，人员培训基地和生物医药新用途开发基地。联合实验室将邀请代谢组学创始人、英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授担任顾问，计划每年定期在上海举行代谢组学高级研修班，这将极大的促进我国代谢组学的研究进展和增强及时跟踪国际前沿研究动向的能力,对于推动我国生物医药事业的发展具有十分重要的意义。

2. 健康人的代谢组学可以做哪些内容

科技名词定义
中文名称：基因组学 英文名称：genomics 定义1：研究基因组的结构、功能及表达产物的学科。基因组的产物不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的rna。包括三个不同的亚领域，即结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。 应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；总论（二级学科） 定义2：研究生物体全基因组dna的序列和属性的学科。包括在dna（基因型）、mrna（转录物组）和蛋白质（蛋白质组）水平上研究细胞或组织的所有基因。 应用学科：细胞生物学（一级学科）；总论（二级学科） 定义3：研究生物体基因组的组成、结构与功能的学科。 应用学科：遗传学（一级学科）；总论（二级学科）
基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。 基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例如，对刚诊断为乳腺癌的女性，一个名为“oncotype dx”的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。 基因组学与遗传学发展里程碑
基因组学的主要工具和方法包括： 生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定。 基因组学出现于1980年代，1990年代随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得长足发展。 相关领域是遗传学，其研究基因以及在遗传中的功能。 1980年，噬菌体 φ-x174;(5,368 碱基对)完全测序，成为第一个测定的基因组。 1995年，嗜血流感菌（haemophilus influenzae，1.8mb）测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因组测序工作迅速展开。 2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。 基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等一同构成系统生物学的组学（omics）生物技术基础。 基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。
编辑本段功能基因组学
基因组dna测序是人类对自身基因组认识的第一步。随着测序的完成，功能基因组学研究成为研究的主流，它从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。功能基因组学的研究内容：人类基因组 dna 序列变异性研究、基因组表达调控的研究、模式生物体的研究和生物信息学的研究等。 (1)基因组表达及调控的研究。在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物mrna和蛋白质，以及两者的相互作用，阐明基因组表达在发育过程和不同环境压力下的时、空的整体调控网络。 (2)人类基因信息的识别和鉴定。要提取基因组功能信息，识别和鉴定基因序列是必不可少的基础工作。基因识别需采用生物信息学、计算生物学技术和生物学实验手段，并将理论方法和实验结合起来。基于理论的方法主要从已经掌握的大量核酸序列数据入手，发展序列比较、基因组比较及基因预测理论方法。识别基因的生物学手段主要基于以下的原理和思路：根据可表达序列标签(sts)；对染色体特异性cosmid进行直接的cdna选择；根据cpg岛；差异显示及相关原理；外显子捕获及相关原理；基因芯片技术；基因组扫描；突变检测体系，等等。 （3）基因功能信息的提取和鉴定。包括：人类基因突变体的系统鉴定；基因表达谱的绘制；“基因改变-功能改变”的鉴定；蛋白质水平、修饰状态和相互作用的检测。 （4）在测序和基因多样性分析。人类基因组计划得到的基因组序列虽然具有代表性，但是每个人的基因组并非完全一样，基因组序列存在着差异。基因组的差异反映在表型上就形成个体的差异，如黑人与白人的差异，高个与矮个的差异，健康人与遗传病人的差异，等等。出现最多基因多态性就是单核苷酸多态性(snps)。 （5）比较基因组学。将人类基因组与模式生物基因组进行比较，这一方面有助于根据同源性方法分析人类基因的功能，另一方面有助于发现人类和其他生物的本质差异，探索遗传语言的奥秘 。
编辑本段结构基因组学
结构基因组学是继人类基因组之后又一个国际性大科学热点，主要目的是试图在生物体的整体水平上（如全基因组、全细胞或完整的生物体）测定出（以实验为主、包括理论预测）全部蛋白质分子、 结构基因组学与蛋白折叠
蛋白质－蛋白质、蛋白质－核酸、蛋白质－多糖、蛋白质－蛋白质－核酸－多糖、蛋白质与其他生物分子复合体的精细三维结构，以获得一幅完整的、能够在细胞中定位以及在各种生物学代谢途径、生理途径、信号传导途径中全部蛋白质在原子水平的三维结构全息图。在此基础上，使人们有可能在基因组学、蛋白质组学、分子细胞生物学以致生物体整体水平上理解生命的原理。 对疾病机理的阐明、对疾病的防治有重要应用意义。
发展回顾
1998年4月,由美国国家医学科学院（nigms）和wellcome trust发起在英国召开了第一次国际结构基因组会议，美国、法国、英国、德国、加拿大、日本、荷兰、意大利以及以色列的9国科学家参加了会议。2000年9月，美国nigms决定首批投入1.5亿美元，在美国建设7个研究中心（目前已经发展成为10个），争取在未来10年内解出1万个蛋白质的三维结构，建立蛋白质的氨基酸残基序列、三维结构和生物功能之间的有机联系，同时也支持结构基因组方法学的研究。2002年，10家大型国际制药公司宣布启动结构基因组研究。2000年11月，日本组织召开国际会议讨论结构基因组计划的有关问题，确定了完成测定3000个蛋白质三维结构的“protein3000计划”。2001年4月，在美国召开了第二次国际结构基因组会议,表明新一轮大规模的国际合作研究已经开始。
主要进展
我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。60年代，我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素；70年代初又测定出1.8 埃; 分辨率的猪胰岛素三维结构，成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家，这些研究工作处于当时的世界先进水平。在国际结构基因组研究刚露端倪之时，我国科学家就敏感地抓住了这一新动向，2000年我国开展了结构基因组学的研究。近来，国家863计划、973计划、中国科学院知识创新工程、国家重大攻关项目、自然科学基金先后重点资助了结构基因组学的研究工作和相关技术平台的建设。相关研究工作既有分工、又有交叉合作，并充分地考虑到了我国基因组水平研究的特点和我国在结构解析方法研究在国际上的地位。并计划在参加国际合作的基础上，在逐步建立基因组研究技术平台的同时， 相关图书《药物基因组学 》
五年之中完成200－300个蛋白质三维结构的测定。 我国的结构生物学研究队伍近年来不断发展壮大，中国科学院生物物理所、中国科技大学、北京大学、清华大学以及中国科学院物理所、高能所、上海生命科学院、福州物质结构所、上海复旦大学等单位均是我国开展结构基因组研究的重要基地。 我国结构基因组学研究虽然启动时间较短，但已经获得了不少重要进展。 据初步统计，已经完成了近千个克隆，已表达出210个蛋白质，其中有100多个可溶或部分可溶；获得近30个结晶和nmr样品，已经测定出5个结构。

3. 代谢组学研究方法与灌胃试剂有关系吗

代谢组学(metabonomics)是后基因组时代的一门新兴学科,通过现代分析技术直接检测生物体液或组织, 对完整的生物体(而不是单个细胞)中随时间改变的内源性生化代谢产物进行统计、比较与分析,然后将这些多维代谢轨迹与病、生理过程或药物疗效、毒副作用等生物学事件关联起来。代谢组学研究开始于1999年,早期主要选用核磁共振光谱(NMR)法,分析生物学体液或组织的代谢组, 采用统计学方法寻找各影响因素的生物标志物。

4. 阐述代谢组学研究中对代谢物进行分离分析的常用技术有哪些

阐述代谢组学研究中对代谢物进行分离分析的常用技术有哪些
代谢组学的研究方法与蛋白质组学的方法类似，通常有两种方法。一种方法称作代谢物指纹分析 （metabolomic fingerprinting），采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）的方法，比较不同血样中各自的代谢产物以确定其中所有的代谢产物。从本质上来说，代谢指纹分析涉及比较不同个体中代谢产物的质谱峰，最终了解不同化合物的结构，建立一套完备的识别这些不同化合物特征的分析方法。另一种方法是代谢轮廓分析（metabolomic profiling）,研究人员假定了一条特定的代谢途径，并对此进行更深入的研究。
对于代谢产物来说，不仅只有质谱峰这个特征。更进一步说，质谱（MS）并不能检测出所有的代谢产物，并不是因为质谱的灵敏度不够，而是由于质谱只能检测离子化的物质，但有些代谢产物在质谱仪中不能被离子化。采用核磁共振（NMR）的方法，可以弥补色谱的不足。剑桥大学的Jules Griffin博士，正在使用质谱与核磁共振结合的方法，试图建立机体中的完整代谢途径图谱。Griffin用核磁共振检测高丰度的代谢产物，由于核磁共振检测的灵敏度不高，所以只用于分析低丰度代谢产物。

5. 靶向代谢组学和非靶向代谢组学的区别

靶向代谢组学新技术，区别于传统的非定向代谢组学，具有如下优势：
1.样品种类多：生物流体（血液、尿、唾液、肠道微生物）、环境样品、细胞、动植物组织、污水、药品、食品。
2.化合物涵盖广：包括脂类、维生素、核苷酸、神经递质等700种代谢产物，涵盖所有主要代谢途径。
3.分析时间短：我们的方法能在30min同时测定并准确鉴定出700种化合物。
4.复杂的数据处理：专业的数据处理方法和软件，能对所得数据进行PLS-DA,PCA,ANOVA,VIP,Biomarker等分析。

6. 代谢组学工作前景

是不错的，但是代谢组本身还是一个发展中的新型学科，一些关键性技术还有待突破，如果你只想使用代谢组学而不去深入的研究它的话就应该没问题，如果想要进一步研究代谢组学方法就需要有相当的分析化学知识。现在世界前十的药厂都在使用代谢组学进行药学研究，所以它在里面的前景肯定是不会差的。随着技术的发展肯定会越来越好。
代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分。之后得到迅速发展并渗透到多项领域，比如疾病诊断、医药研制开发、营养食品科学、毒理学、环境学，植物学等与人类健康护理密切相关的领域。
与基因组学和蛋白质组学相比，代谢组学将在临床上发挥更大的作用。许多公司通过市场研究发现，健康人并不希望进行基因型分析，所以，对于这些人群来说，基因组学研究在临床上的应用很有限。而代谢组学与临床化学较为相似，且相对于基因组学来说，提供的个人信息更少，故其在临床上的应用有可能产生一定的影响。较低的费用，是促使代谢组学在临床上易于接受的另一个原因。Griffin博士指出，与其他“组学”研究相比，代谢组学的费用更低，研究人员可以通过代谢组学研究筛检出代谢产物，然后采用更昂贵的基因组学和蛋白质组学的方法对有意义的代谢产物进一步加以研究。首先，必须识别出代谢产物，这并不是简单的工作。Siuzak博士认为，代谢组学研究最大的挑战就在于对代谢产物的识别，这也是最有趣的方面，而更具挑战性的工作，是进一步确认所有代谢物的功能。此外，质谱分析发现，代谢产物的同质性不高，由于缺乏均匀性，使色谱分析变得更加困难，无法识别出样品中的未知物质。

7. 为什么代谢组学分析代谢物的分子量要小于1000

为什么代谢组学分析代谢物的分子量要小于1000
代谢组学是对一系列相似的生物样本中的代谢物进行比较分析的学科.代谢物在生物系统中起着至关重要的作用,因此代谢组学可用于发现和鉴定生物标志物,或更好地了解药物或疾病对已知和未知生物通路的影响.成功的代谢物组学研究依赖于有效的代谢物提取.对于非靶向代谢组学研究,需要提取细胞和体液中的多种代谢物,并去除无需分析的蛋白质等成分.再加上代谢物的理化性质多样,丰度动辄相差若干数量级,更进一步增加了提取的难度.液液萃取这种两相分离方法常被用于代谢物的提取.液液萃取中有机溶剂和水溶液的性质、体积、溶剂比例、水溶液的pH 值都必须仔细考虑.这些因素会显着影响提取的代谢物数量和实验的重现性.本应用报告介绍了采用液液萃取提取红细胞代谢物的方法.结果表明,调整水相/有机相的比例对于两相分离非常重要.同时水相pH 值对提取的代谢物数量也有很大影响,为了提取尽可能多的代谢物,需要采用多个pH 值进行提取.

8. 比较概述基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的概念、研究方法、优缺点及应用设想

组学omics，研究的是整体. 按照分析目标不同主要分为基因组学，转录组学，蛋白质组学，代谢组学。
基因组学研究的主要是基因组DNA，使用方法目前以二代测序为主，将基因组拆成小片段后再用生物信息学算法进行迭代组装。当然这仅仅是第一步，随后还有繁琐的基因注释等数据分析工作。
转录组学研究的是某个时间点的mRNA总和，可以用芯片，也可以用测序。芯片是用已知的基因探针，测序则有可能发现新的mRNA,
蛋白组学针对的是全体蛋白，组要以2D-Gel和质谱为主，分为top-down和bottom-up分析方法。理念和基因组类似，将蛋白用特定的物料化学手段分解成小肽段，在通过质量反推蛋白序列，最后进行搜索，标识已知未知的蛋白序列。
代谢组分析的代谢产物，是大分子和小分子的混合物，主要也是用液相和质谱。
总而言之，这些技术都想从全局找变量，都是一种top-down的研究方法，原因很简单：避免‘只缘身在此山中’的尴尬。
但因为技术局限，都各有缺点，尤其是转录组和蛋白组数据，基本上颠覆了以前一直认为的mRNA水平能代表蛋白水平的观念，因为这两组数据的重合度太低。
所以目前很多研究都开始使用交叉验证方法。
无论如何，都需要对数据进行分析，有经验的分析往往能化腐朽为神奇。

9. 代谢组学究竟是一门什么样的研究方向

代谢组是测定细胞内所有代谢小分子（如TAC里面各种代谢产物）的含量，蛋白质组是测定体内各种蛋白质含量。 相同点大概就是都主要是靠质谱 蛋白质组已经比较成熟，有很好的搜库（鉴定）手段，以及比较好定量手段，如SILAC，TMT等方法，一次一般可以测量几千个蛋白 代谢组（可能不同的机构会有不同，以下仅基于我了解到的数据）各个实验室一般需要建立自己的库，一般也就几百个小分子。一般会把质谱的正负离子模式都扫一下，暂时没有通用的定量方法，所以数据可信度不如蛋白质组高 一般蛋白质组更为常用，代谢组的话需要有特定的研究方向，比如研究脂肪代谢之类的，就针对那些油脂分子 PS：用质谱研究药物代谢和研究组学其实差别很大的，做组学的话如果不是某些特殊情况，你自己不会分析谱图也不是太影响结果，只要看得懂by离子就好了。看LZ的意思，估计是不需要用到蛋白质组了，代谢组我也只是刚开始做，只能说protocol我们用下面这个，具体的分析步骤得看实验室需求。代谢组学有一个很热门的应用，就是用来鉴定微生物的taxonomy。在不少大的生物技术公司和农业公司，除了用16S rRNA和基因组判定taxonomy,还会结合代谢组学的数据。而taxonomy的鉴定在这些大公司的微生物研发产品线里是很重要的一环