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1、代代谢谢组组学学 西安交通大学医学院西安交通大学医学院 遗传学与分子生物学系遗传学与分子生物学系 李信民李信民 第一页，共53页。生物生物(shngw)(shngw)系系统统(机体机体)外部或内部外部或内部(nib)(nib)刺激刺激知识知识(zh(zh shi)shi)或模型或模型基因基因转录转录翻译翻译代谢代谢基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学数据处理数据处理系统生物学系统生物学:用系统的观点或方法研究生物体系用系统的观点或方法研究生物体系,以获得以获得海量数据和生物模型海量数据和生物模型.其特点是不用单一指标描述生物其特点是不用单一指标描述生
2、物体的状态体的状态,而是用多元数据组进行描述而是用多元数据组进行描述.第二页，共53页。第三页，共53页。一一 代谢代谢(dixi)(dixi)组学的基本概念组学的基本概念自自2020世纪末出现基因组学概念以后世纪末出现基因组学概念以后,各种各种”组学组学(-omics)”(-omics)”呈井喷式暴发呈井喷式暴发.有人有人(yu rn)(yu rn)统计共有数百种组学问世统计共有数百种组学问世.常见的如基因组学常见的如基因组学,蛋白质组学蛋白质组学,转录组学转录组学,代谢组学代谢组学上述组学还可再分出诸多亚组学上述组学还可再分出诸多亚组学,如肝细胞如肝细胞转录组学转录组学,骨代谢组学等骨代谢
3、组学等第四页，共53页。1代谢代谢(dixi)组的概念组的概念细胞内的生命细胞内的生命(shngmng)(shngmng)活动均以代谢为活动均以代谢为基础，代谢物的变化可更直接反映细胞所基础，代谢物的变化可更直接反映细胞所处的环境，如营养状态、药物作用和环境处的环境，如营养状态、药物作用和环境改变等。改变等。代谢组代谢组指一个细胞、组织或器官中指一个细胞、组织或器官中,所有代谢产物所有代谢产物的集合的集合,一般指分子量小于一般指分子量小于1000D1000D的物质的物质.第五页，共53页。2代谢代谢(dixi)组学的概念组学的概念在新陈代谢在新陈代谢(dixi)(dixi)的动态进程中的动态进
4、程中,系统地系统地研究代谢研究代谢(dixi)(dixi)产物的变化规律产物的变化规律,揭示揭示机体生命活动代谢机体生命活动代谢(dixi)(dixi)本质的科学。本质的科学。第六页，共53页。MetabonomicsMetabonomics -英英 Jeremy K.Nicholson 20 Jeremy K.Nicholson 20世纪世纪9090年代年代生命体系对病理生命体系对病理(bngl)(bngl)生理刺激或遗传生理刺激或遗传改造所产生的动态改造所产生的动态,多指标代谢响应的定多指标代谢响应的定量测定量测定.MetabolomicsMetabolomics -Oliver Fieh
5、n 21 -Oliver Fiehn 21世纪初世纪初全面定量分析生物体系中的所有代谢产物全面定量分析生物体系中的所有代谢产物.第七页，共53页。3代谢代谢(dixi)组学的发展过程组学的发展过程代谢组学的研究可以追溯至上世纪代谢组学的研究可以追溯至上世纪8080年代。年代。1970s1970s代谢轮廓分析代谢轮廓分析(Metabolic(Metabolic profiling),Devauxprofiling),Devaux等人于上世纪等人于上世纪70 70 年年代提出。代提出。19851985年年,Nicholson,Nicholson研究小组利用核磁共振研究小组利用核磁共振(h c n
6、zhn)(NMR)(h c n zhn)(NMR)技术分析大鼠的技术分析大鼠的尿液尿液,意识到这可能是生命科学研究的巨意识到这可能是生命科学研究的巨大突破大突破.第八页，共53页。l1986 1986 年年,Journal of Chromatography A,Journal of Chromatography A 出出版了一期关于版了一期关于Metabolic profiling Metabolic profiling 的专辑。的专辑。l90 90 年代后期年代后期,随着基因组学的提出和迅速发展随着基因组学的提出和迅速发展,Oliver Oliver 于于1997 1997 年提出了代谢组
7、学年提出了代谢组学(metabolomics)(metabolomics)的概念的概念,之后之后(zhhu)(zhhu)很多很多植物化学家开展了这方面的研究植物化学家开展了这方面的研究.第九页，共53页。1999 1999 年年Jeremy K.Nicholson Jeremy K.Nicholson 等人提出等人提出metabonomics metabonomics 的概念的概念,并在疾病诊断、药并在疾病诊断、药物筛选等方面做了大量的卓有成效的工作物筛选等方面做了大量的卓有成效的工作(gngzu),(gngzu),使得代谢组学得到了极大的使得代谢组学得到了极大的充实充实,同时也形成了当前代谢
8、组学的两大同时也形成了当前代谢组学的两大主流领域：主流领域：metabolomics metabolomics 和和metabonomicsmetabonomics。第十页，共53页。l一般认为一般认为,metabolomics,metabolomics 是通过考察生物体系是通过考察生物体系受刺激或扰动后受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或如将某个特定的基因变异或环境变化后环境变化后)代谢产物的变化或其随时间的变代谢产物的变化或其随时间的变化化,来研究生物体系的代谢途径的一种技术。来研究生物体系的代谢途径的一种技术。而而metabonomics metabonomics 是生物体对病理生理
9、是生物体对病理生理(shngl)(shngl)刺激或基因修饰产生的代谢物质的刺激或基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化的研究。前者一般以细胞做质和量的动态变化的研究。前者一般以细胞做研究对象研究对象,后者则更注重动物的体液和组织。后者则更注重动物的体液和组织。第十一页，共53页。4代谢代谢(dixi)组学与其他组学关组学与其他组学关系系基因组学主要研究生物系统基因组学主要研究生物系统(xtng)(xtng)的基的基因结构组成因结构组成,即即DNA DNA 的序列及表达。的序列及表达。蛋白组学研究由生物系统蛋白组学研究由生物系统(xtng)(xtng)表达的表达的蛋白及由外部刺激引起的差异。
10、蛋白及由外部刺激引起的差异。代谢组学是研究生物体系代谢组学是研究生物体系(细胞细胞,组织或生组织或生物体物体)受外部刺激所产生的所有代谢产物受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化。的变化。第十二页，共53页。代谢代谢(dixi)组学是组学是“组学组学”研究的研究的最终方向最终方向基因组的变化不一定能够基因组的变化不一定能够(nnggu)(nnggu)得到表达得到表达,从而从而并不对系统产生影响。并不对系统产生影响。某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高,但但由于这个蛋白可能不具备活性由于这个蛋白可能不具备活性,从而也不对系统产从而也不对系统产生影响。生影
11、响。由于基因或蛋白的功能补偿作用由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋白某个基因或蛋白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿,最后反应的净结果为零。而小分子的产生和代谢才最后反应的净结果为零。而小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终结果是这一系列事件的最终结果,它能够它能够(nnggu)(nnggu)更准更准确地反映生物体系的状态。确地反映生物体系的状态。第十三页，共53页。基因组学告诉基因组学告诉(o s)(o s)你可能发生什么你可能发生什么蛋白质组学告诉蛋白质组学告诉(o s)(o s)你如何发生什么你如何发生什么代谢组学告诉代谢组学告
12、诉(o s)(o s)你已经发生了什么。你已经发生了什么。第十四页，共53页。5代谢代谢(dixi)组学优点组学优点l1)1)基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得到放大谢物上得到放大(fngd),(fngd),从而使检测更容易；从而使检测更容易；l2)2)代谢组学的技术不需建立全基因组测序及代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签大量表达序列标签(EST)(EST)的数据库；的数据库；l第十五页，共53页。l3)3)代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。每个生物体每个生物体(organism)(org
13、anism)中代谢产物大约在中代谢产物大约在1010数量级数量级,而最小的细菌而最小的细菌,其基因组中也有几千个其基因组中也有几千个基因；基因；l4)4)因为代谢产物在各个生物体系中都是类似因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的的,所以代谢组学研究所以代谢组学研究(ynji)(ynji)中采用的技术中采用的技术更通用。更通用。第十六页，共53页。6 6 生物生物(shngw)(shngw)体系的代谢产物分析的体系的代谢产物分析的四个层次四个层次1)1)代谢物靶标分析代谢物靶标分析(Metabolite target(Metabolite target analysis):analysis):对
14、某个对某个(mu)(mu)或某几个特或某几个特定组分的分析定组分的分析;2)2)代谢轮廓代谢轮廓/谱分析谱分析(Metabolic(Metabolic profiling analysis):profiling analysis):对一系列少数预对一系列少数预设的一些代谢产物的定量分析。如某一类设的一些代谢产物的定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物结构、性质相关的化合物(氨基酸、有机氨基酸、有机酸、顺二醇类酸、顺二醇类)或某一代谢途径的所有中或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分析间产物或多条代谢途径的标志性组分析;第十七页，共53页。3)3)代谢组学代谢组学(Metabo
15、lomics):(Metabolomics):对某一生对某一生物体或细胞在（限定条件下的特定生物样物体或细胞在（限定条件下的特定生物样品中）所有代谢组分的定性和定量品中）所有代谢组分的定性和定量(dngling);(dngling);4)4)代谢物指纹分析代谢物指纹分析(Metabolic fingerp-(Metabolic fingerp-rinting):rinting):不分离鉴定具体单一组分不分离鉴定具体单一组分,而而是对样品进行高通量的快速定性分析。是对样品进行高通量的快速定性分析。第十八页，共53页。二二代谢代谢(dixi)组学的研究方法组学的研究方法代谢代谢(dixi)组学流程
16、包括组学流程包括样品的采集样品的采集预处理预处理数据的采集数据的采集数据的分析及解释数据的分析及解释第十九页，共53页。l研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台构成。代谢组学力求分析生物体系构成。代谢组学力求分析生物体系(如体液和如体液和细胞细胞)中的所有代谢产物中的所有代谢产物,所以整个所以整个(zhngg)(zhngg)过程中都强调尽可能的保留和反映总的代谢产过程中都强调尽可能的保留和反映总的代谢产物的信息。物的信息。第二十页，共53页。1 1 分析技术分析技术(jsh)(jsh)平台平台代谢组学的研究中最常见的分析工具是代谢组学的研究中最常见的分
17、析工具是NMR,NMR,特别是特别是H-NMRH-NMR、13C-NMR13C-NMR、31P-NMR31P-NMR优点优点对样品的非破坏性、非选择性分析对样品的非破坏性、非选择性分析,满足了满足了代谢组学中的对尽可能多的化合物进行检代谢组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标测的目标(mbio)(mbio)。缺陷缺陷:灵敏度低灵敏度低分辨率不高分辨率不高因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的分析物。分析物。第二十一页，共53页。在植物的代谢组学研究中在植物的代谢组学研究中,主要采用的技主要采用的技术为术为GCGC（气相色谱）（气相色谱）/MS/MS（质谱）。
18、（质谱）。优势优势能够能够(nnggu)(nnggu)提供较高的分辨率和检测灵提供较高的分辨率和检测灵敏度敏度有可供参考、比较的标准谱图库有可供参考、比较的标准谱图库,可以方便可以方便地得到待分析代谢组分的定性结果。地得到待分析代谢组分的定性结果。局限性局限性只能对其中的挥发性组分实现直接分析。只能对其中的挥发性组分实现直接分析。第二十二页，共53页。LC/MS(/MS)技术逐渐被广泛地用于代谢组学的研究中。LC/MS 采用LC作为其主要的分离手段,增强了其分辨能力,与MS或MS/MS的联用可以得到代谢组分的结构信息。与GC相比,预处理相对(xingdu)简单。第二十三页，共53页。2 2 数
19、据分析平台数据分析平台(pngti)(pngti)在得到分析在得到分析(fnx)(fnx)对象的原始数据后对象的原始数据后,首首先需要对各种分析先需要对各种分析(fnx)(fnx)手段得到的原手段得到的原始数据进行处理始数据进行处理,得到可用于代谢组学研得到可用于代谢组学研究的格式。根据各种分析究的格式。根据各种分析(fnx)(fnx)手段手段(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)自身的特点自身的特点,研究者们开发出了相应的算法对原始谱图研究者们开发出了相应的算法对原始谱图的数据进行提取、峰对齐、去噪等处理。的数据进行提取、峰对齐、去噪等处理。然后需要
20、对这些数据进行分析然后需要对这些数据进行分析(fnx),(fnx),挖挖掘隐含于其中的有用信息。掘隐含于其中的有用信息。第二十四页，共53页。模式识别技术模式识别技术(jsh)主要有主要有模式识别技术主要有非监督和有监督学习模式识别技术主要有非监督和有监督学习方法两种方法两种非监督非监督(un-supervised)(un-supervised)学习方法学习方法主成分分析主成分分析(fnx)(Principal(fnx)(Principal Components Analysis,PCA)Components Analysis,PCA)、非线形映射非线形映射(Nonlinear Mapping
21、,NLM)(Nonlinear Mapping,NLM)、第二十五页，共53页。有监督有监督(supervised)(supervised)学习方法学习方法(fngf)(fngf)。簇类分析簇类分析(Hierarchical Cluster Analy-(Hierarchical Cluster Analy-sis,HCA)sis,HCA)簇类的独立软模式分类法簇类的独立软模式分类法(Soft In-dependent(Soft In-dependent Modeling of Modeling of Class AnalogyClass Analogy，SIMCA)SIMCA)、PLS-DA
22、 PLS-DA(PLS-(PLS-DiscriminantDiscriminant Analysis)Analysis)、人工神经网、人工神经网络络(Artificial Neural Network(Artificial Neural Network，ANN)ANN)等等第二十六页，共53页。代谢组学的研究代谢组学的研究(ynji)方法方法分为三阶段分为三阶段前期前期(qinq)中期中期后期后期第二十七页，共53页。前期前期-样品样品(yngpn)(yngpn)制备制备代谢组学研究常用的检测技术代谢组学研究常用的检测技术,一般不需要一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但须立即对标本行特别的
23、分离、纯化等。但须立即阻断阻断(z dun)(z dun)内在酶的活性。内在酶的活性。最为常用的是最为常用的是冰冻冰冻/液氮降温法液氮降温法冷冻、干燥冷冻、干燥细胞间仍始终有一低水平的代谢活动细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽需尽量避免氧化等活化因素。量避免氧化等活化因素。第二十八页，共53页。中期中期-产物产物(chnw)检测、分析与检测、分析与鉴定鉴定代谢代谢(dixi)(dixi)产物的检测、分析与鉴定是产物的检测、分析与鉴定是代谢代谢(dixi)(dixi)组学技术的核心部分组学技术的核心部分,最常最常用的方法是有两种用的方法是有两种NMRNMR质谱质谱(MS)(MS)第二十九页，
24、共53页。(1)核磁共振核磁共振(hcnzhn)技技术术原理原理核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用，且满足一恒定磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件定条件(tiojin)(tiojin)时所发生的共振吸收现，时所发生的共振吸收现，是一种利用原子核在磁场中的能量变化来是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于核信息的技术获得关于核信息的技术.生命科学领域中生命科学领域中常用的有三种常用的有三种氢谱氢谱(1H-NMR)(1H-NMR)碳谱碳谱(13C-NMR)(13C-NMR)磷谱磷谱(31P NMR)(31P NMR)可用于体液
25、或组织提取液和活体分析两大可用于体液或组织提取液和活体分析两大类类第三十页，共53页。代谢指纹代谢指纹(zhwn)(zhwn)分析分析(metabolic fingerprint analysis)(metabolic fingerprint analysis)氢谱氢谱(1H NMR)(1H NMR)将准备好的生物标本直接上样检测即可。所将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的得的1H-NMR1H-NMR谱峰与样品中各化合物的氢原子谱峰与样品中各化合物的氢原子对应对应(duyng),(duyng),根据一定的规则或与标准氢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谱比照可以
26、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。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不同样品的代谢物图谱有其特质性,对这种对这种特质性进行区分、鉴定特质性进行区分、鉴定,被称为被称为“代谢指纹代谢指纹分析分析(metabolic fingerprint analysis)”(metabolic fingerprint analysis)”。第三十一页，共53页。代谢代谢(dixi)(dixi)谱分析谱分析(metabolic profi-ling analysis)(metabolic profi-ling analysis)NMRNMR对
27、活体内外的非损伤组织、器官进行研对活体内外的非损伤组织、器官进行研究。以心脏的磷谱研究为例究。以心脏的磷谱研究为例,将预处理的将预处理的体外灌流心脏直接置于检测区体外灌流心脏直接置于检测区,持续观察持续观察低氧干预下低氧干预下31PNMR31PNMR谱峰的改变情况谱峰的改变情况,发现发现低氧状况下低氧状况下,P3+,P3+和和Mg2+Mg2+的含量增加的含量增加,并随并随低氧的延长低氧的延长(ynchng)(ynchng)而加深、加重。这而加深、加重。这种分析器官或组织中某一代谢物或组合随种分析器官或组织中某一代谢物或组合随时间变化的情况时间变化的情况,称之为称之为“代谢轮廓分析代谢轮廓分析(
28、metabolic profi-ling analysis)(metabolic profi-ling analysis)第三十二页，共53页。NMRNMR技术技术(jsh)(jsh)的优点与缺点的优点与缺点 优点优点无损伤性无损伤性,不破坏样品的结构和性质不破坏样品的结构和性质;可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生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理条件的实验;与外界特定干预相结合与外界特定干预相结合,研究动态研究动态(dngti)(dngti)系统中机系统中机体化学交换、运动等代谢产物的变化规律体化学交换、运动等代谢产物的变化规律;实验方法灵活多样。实验方
29、法灵活多样。缺点缺点仪器价格昂贵仪器价格昂贵维护费用高维护费用高灵敏度低灵敏度低第三十三页，共53页。(2)质谱技术质谱技术(jsh)原理原理首先使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同首先使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用(zuyng)(zuyng)，形成离子束，进入质量分析器，形成离子束，进入质量分析器.在质量分在质量分析器中，再利用电场和磁场使离子发生相反的速度色析器中，再利用电场和磁场使离子发生相反的速度色散，将他们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量散，将他们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量
30、.色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离分析提供有力的手段，如气相色谱一质物的在线分离分析提供有力的手段，如气相色谱一质谱联用谱联用(GC(GC一一MS)MS)，液相色谱一质谱联用，液相色谱一质谱联用(Lc(Lc一一MS)MS)和毛和毛细管电泳一质谱联用细管电泳一质谱联用(CE(CE一一MS)MS)等是质谱相关技术中的等是质谱相关技术中的常见技术，在代谢组学的各个领域有广泛的应用常见技术，在代谢组学的各个领域有广泛的应用.第三十四页，共53页。l将预处理的体液或是组织将预处理的体液或是组织(根据实验需要根据实验需要,可将可将组织
31、行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处理组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处理),),加至质谱仪加至质谱仪,经历汽化经历汽化,离子化、加速分离及离子化、加速分离及检测分析后即可得出相应代谢产物检测分析后即可得出相应代谢产物(chnw)(chnw)或或是代谢组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应是代谢组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的分子量的分子量,结合进一步的检测分析可以部分鉴结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化学成分以及半定量关系。定出化学成分以及半定量关系。第三十五页，共53页。(3)(3)常用的其他一些常用的其他一些(yxi)(yxi)分析技分析技术术气相色谱气相色谱(GC)(GC)高效液相
32、色谱仪高效液相色谱仪(HPLC)(HPLC)高效毛细管电泳高效毛细管电泳(HPCE)(HPCE)往往与往往与NMRNMR或或MSMS技术联用技术联用,进一步增加其灵进一步增加其灵敏性。敏性。敏感性及分辨率提高敏感性及分辨率提高(t go),“(t go),“假阳性假阳性”率也就越大率也就越大第三十六页，共53页。后期后期-数据分析与模型数据分析与模型(mxng)(mxng)建建立立 代谢组学研究代谢组学研究(ynji)(ynji)的后期需借助于生的后期需借助于生物信息学平台物信息学平台 借助于一定的软件借助于一定的软件,联合多种数据分析技术联合多种数据分析技术,将多维、分散的数据进行总结、分类
33、及将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析判别分析,发现数据间的定性、定量关系发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与阐述其与机体代谢的关系。机体代谢的关系。第三十七页，共53页。影响代谢组学分析的主要影响代谢组学分析的主要(zhyo)因素因素生物生物(shngw)(shngw)种属种属:如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差别较大别较大;不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒性的易感性也不同及镉肝毒性的易感性也不同 性别性别:雄性波峰的变异性明显高于雌性雄性波峰的变异性明显高于雌性
34、,而前者对而前者对药物及毒物的敏感性也高药物及毒物的敏感性也高第三十八页，共53页。年龄年龄:在四氯化碳在四氯化碳(s l hu tn)(s l hu tn)的肝毒性模的肝毒性模型研究中型研究中,发现发现2828月龄的月龄的F344F344大鼠较大鼠较5 5月月龄的敏感性差龄的敏感性差;并随年龄增长并随年龄增长,尿液中三羧尿液中三羧酸的代谢产物也不同酸的代谢产物也不同;尿中代谢产物的组尿中代谢产物的组成变化还与个体间的健康状况、遗传差异成变化还与个体间的健康状况、遗传差异性等密切相关。性等密切相关。生物活环境生物活环境:温度、觉醒等刺激温度、觉醒等刺激,甚至周围气候不同、菌甚至周围气候不同、菌
35、群的改变群的改变,代谢组也可发生种类及数量的代谢组也可发生种类及数量的差别。差别。第三十九页，共53页。昼夜节律昼夜节律:昼夜节律更替影响了体内激素水平昼夜节律更替影响了体内激素水平,血清代血清代谢谢(dixi)(dixi)谱亦随之变化谱亦随之变化;主成分主成分(PCA)(PCA)分析核磁共振分析核磁共振(1H NMR)(1H NMR)谱谱,能很容易识别能很容易识别不同时间点的尿样品不同时间点的尿样品:白天尿中的牛磺酸、白天尿中的牛磺酸、马尿酸、肌酐水平较高马尿酸、肌酐水平较高,而葡萄糖、琥珀而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相应较低。酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相应较低。饮食饮食:略略 第四
36、十页，共53页。主成分主成分(chng fn)(chng fn)分析法分析法(PCA)(PCA)-最常用的分析方法最常用的分析方法 将分散于一组变量上的信息集中于几个综将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标合指标(PC)(PC)上上,如糖代谢、脂质代谢、氨如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等基酸代谢等,利用主成分描述利用主成分描述(mio sh)(mio sh)机体代谢的变化情况机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的发挥了降维分析的作用作用,避免淹没于大量数据中避免淹没于大量数据中.第四十一页，共53页。其他模式识别其他模式识别(mshshbi)技术技术聚类分析聚类分析辨别式功能分析辨别式功能分
37、析最小二乘法投影法最小二乘法投影法 现实情况下现实情况下,代谢组学的数据更为复杂代谢组学的数据更为复杂,需需要借助复杂的模型或是要借助复杂的模型或是(hu sh)专家系专家系统进行分析统进行分析.第四十二页，共53页。三三 代谢代谢(dixi)(dixi)组学的应用组学的应用 发掘疾病新的诊断方法发掘疾病新的诊断方法研究疾病的发病研究疾病的发病(f bng)(f bng)机制机制研究疾病发生、发展、恢复的进程研究疾病发生、发展、恢复的进程开发新药开发新药研究药物的作用机制，评价药物的安全性研究药物的作用机制，评价药物的安全性和有效性等和有效性等 第四十三页，共53页。1 1 代谢组学在药物领域
38、代谢组学在药物领域(ln y)(ln y)中中的应用的应用 (1)(1)药物筛选药物筛选 鉴别和确证动物模型鉴别和确证动物模型 代谢物组学研究可以区分不同种属、品系动物模型的代代谢物组学研究可以区分不同种属、品系动物模型的代谢状态谢状态.在实施毒性筛选之前，可以先查清它们的生化在实施毒性筛选之前，可以先查清它们的生化状态，寻找状态，寻找(xnzho)(xnzho)人类疾病、药效或毒性检验的最人类疾病、药效或毒性检验的最适宜的动物模型。适宜的动物模型。代谢物组分析能够区分不同生理因素（饮食、健康状况、代谢物组分析能够区分不同生理因素（饮食、健康状况、昼夜节律、压力）造成的代谢物组图谱差别，这些差
39、别昼夜节律、压力）造成的代谢物组图谱差别，这些差别会与药物造成的细微变化相混淆。例如，会与药物造成的细微变化相混淆。例如，BollardBollard等研等研究观察到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄水平增加，而过究观察到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄水平增加，而过去牛磺酸尿是作为肝损伤的生物标志。因此，不考虑动去牛磺酸尿是作为肝损伤的生物标志。因此，不考虑动物模型生理因素的影响会导致错误的毒性评价。物模型生理因素的影响会导致错误的毒性评价。第四十四页，共53页。(2)(2)毒性筛选毒性筛选 代谢组学有独特的优越性：代谢组学有独特的优越性：代谢组学样品多为外周性生物体液，可代谢组学样品多为外周性生物体液，
40、可以多次采样，观察单一动物毒性发作和恢以多次采样，观察单一动物毒性发作和恢复的全过程。复的全过程。样品处理简单。经某些非破坏性分析技样品处理简单。经某些非破坏性分析技术，如术，如NMR,HPLC,NMR,HPLC,测定后的样品还可用于测定后的样品还可用于其他研究。其他研究。可以较早发现毒性的分子标志物可以较早发现毒性的分子标志物,大大大大减少药物研发减少药物研发(yn f)(yn f)消耗。有的制药公消耗。有的制药公司已将该方法纳入药物开发方案。另外司已将该方法纳入药物开发方案。另外,液质联用的应用也获得了初步探索。液质联用的应用也获得了初步探索。第四十五页，共53页。(3)(3)药物作用机制
41、研究药物作用机制研究如抗糖尿病药罗格列酮对脂质代谢物组在不同的组织如抗糖尿病药罗格列酮对脂质代谢物组在不同的组织分布的影响。观察到血浆中的特定磷脂酰胆碱、三酰分布的影响。观察到血浆中的特定磷脂酰胆碱、三酰甘油、胆固醇酯的总浓度降低，但这些脂类中的棕榈甘油、胆固醇酯的总浓度降低，但这些脂类中的棕榈烯酸烯酸,而棕榈烯酸是肝脂合成而棕榈烯酸是肝脂合成(hchng)(hchng)增加的标志物，增加的标志物，这与肝脏中观察到的总三酰甘油蓄积相符。联系到血这与肝脏中观察到的总三酰甘油蓄积相符。联系到血浆的低三酰甘油浓度，而且血液中的磷脂酰胆碱和三浆的低三酰甘油浓度，而且血液中的磷脂酰胆碱和三酰甘油主要由肝
42、脂输出，提示该药抑制小鼠正常的肝酰甘油主要由肝脂输出，提示该药抑制小鼠正常的肝脏脏-血液脂交换。由代谢组学测定揭示的生化变化可血液脂交换。由代谢组学测定揭示的生化变化可以很容易地与传统手段（临床化学和组织病理学）的以很容易地与传统手段（临床化学和组织病理学）的检测结果相联系，从而更全面评价药效及不良反应。检测结果相联系，从而更全面评价药效及不良反应。第四十六页，共53页。(4)(4)新药开发新药开发 新药研究需要回答两个关键问题新药研究需要回答两个关键问题:一是新药一是新药作用作用(zuyng)(zuyng)的靶点是什么的靶点是什么?二是新药二是新药在体内的代谢规律如何在体内的代谢规律如何?这
43、些正是代谢组学的优势所在这些正是代谢组学的优势所在.第四十七页，共53页。代谢组学还可以代谢组学还可以(ky)用于用于药物相互作用药物相互作用药物或毒物对靶器官的作用药物或毒物对靶器官的作用药物临床试验中药效监测药物临床试验中药效监测第四十八页，共53页。2代谢组学在医疗领域代谢组学在医疗领域(lny)中中的应用的应用(1)(1)个体化用药个体化用药 代谢物组可评价当前的健康状况，确定代谢物组可评价当前的健康状况，确定(qudng)(qudng)遗传变异和环境对个体状态的遗传变异和环境对个体状态的影响影响 代谢物组绘图能鉴别个体间的细微生化差代谢物组绘图能鉴别个体间的细微生化差异，将单一疾病的
44、不同患者分层，从而细异，将单一疾病的不同患者分层，从而细化药物需求化药物需求 第四十九页，共53页。(2)(2)疾病诊断疾病诊断-无创诊断无创诊断建立各种疾病的代谢组学模型建立各种疾病的代谢组学模型诊断标准诊断标准NMRNMR本身需要从技术层面上提高本身需要从技术层面上提高(t go)(t go)降低成本降低成本,使多数人能够接受使多数人能够接受产前诊断和优生优育产前诊断和优生优育第五十页，共53页。几个几个(j)例子例子肿瘤肿瘤:特别是无症状的早期肿瘤特别是无症状的早期肿瘤,尤其需要借助于尤其需要借助于敏感性高的综合检测手段。早在敏感性高的综合检测手段。早在19921992年年,Howell
45、s,Howells等便利用核磁共振等便利用核磁共振(1H NMR)(1H NMR)技术技术联合联合(linh)(linh)主成分分析主成分分析(PCA)(PCA)对脑肿瘤对脑肿瘤组织进行检测组织进行检测,其中脑膜瘤诊断的准确率其中脑膜瘤诊断的准确率达达85%,85%,神经胶质瘤则为神经胶质瘤则为62%.62%.第五十一页，共53页。冠心病冠心病(CHD):(CHD):Brindle Brindle等将等将X X线血管造影明确诊断的患者线血管造影明确诊断的患者进行分组进行分组,同时用同时用NMRNMR技术分析血清样本技术分析血清样本,建立了合适的模型。借助此模型建立了合适的模型。借助此模型,对于
46、可对于可疑疑(ky)CHD(ky)CHD患者诊断的灵敏度高达患者诊断的灵敏度高达92%,92%,特异性为特异性为93%93%。第五十二页，共53页。结束语结束语 代谢组学正处于快速发展的阶段。高通量、代谢组学正处于快速发展的阶段。高通量、高分辨率的分析技术高分辨率的分析技术,与生物信息学相整与生物信息学相整合合,为生物代谢层面的研究提供了独特视为生物代谢层面的研究提供了独特视角。代谢组学必将在药物开发、临床诊断角。代谢组学必将在药物开发、临床诊断和预防等方面发挥越来越大的作用。相信和预防等方面发挥越来越大的作用。相信通过我们的努力目标通过我们的努力目标(mbio)(mbio)将越来越接将越来越接近。近。第五十三页，共53页。