基因组学课件11代谢组学.ppt

1、中英联合实验室代谢组学（代谢组学（metabolomics）中英联合实验室测序技术的进步，大规模基因组测序成为测序技术的进步，大规模基因组测序成为可能可能genomics表达序列标签表达序列标签EST、微阵列、基因表达连、微阵列、基因表达连续 分 析续 分 析 S A G E，转 录 组 学，转 录 组 学transcriptomics生物体系中所有蛋白及其功能的蛋白组学生物体系中所有蛋白及其功能的蛋白组学proteomics研究代谢产物的变化和代谢途径的代谢组研究代谢产物的变化和代谢途径的代谢组学学metabolomics中英联合实验室中英联合实验室代谢组学的发展结构基因组学结构基因组学：研

2、究生物系统的基因结：研究生物系统的基因结构组成，即构组成，即DNA的序列及其表达的序列及其表达。蛋白组学：蛋白组学：研究由生物系统表达的蛋白研究由生物系统表达的蛋白质及由外部刺激引起的差异质及由外部刺激引起的差异。代谢组学代谢组学：研究生物体系（细胞，组织：研究生物体系（细胞，组织或生物体）受外部刺激所产生的所有代或生物体）受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化，是结构基因组学和蛋白谢产物的变化，是结构基因组学和蛋白组学的延伸组学的延伸。中英联合实验室代谢组学的发展基因组的变化不一定能够得到表达，从而并不基因组的变化不一定能够得到表达，从而并不一定对系统产生影响；一定对系统产生影响；某些蛋白的浓

3、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，但由于这个蛋白可能不具备活性，从而也不对但由于这个蛋白可能不具备活性，从而也不对系统产生影响；系统产生影响；由于基因或蛋白的由于基因或蛋白的功能补偿功能补偿作用，某个基因或作用，某个基因或蛋白的缺失会由于其他基因或蛋白的存在而得蛋白的缺失会由于其他基因或蛋白的存在而得到补偿，最后反应的净结果为零；到补偿，最后反应的净结果为零；小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终结果，它能够结果，它能够更准确的反映生物体系的状态更准确的反映生物体系的状态。中英联合实验室代谢组学的发展历史代谢组学的

4、发展历史最早起源于最早起源于代谢轮廓分析代谢轮廓分析（Metabolic profiling）。早在二十世）。早在二十世纪七十年代，纪七十年代，Baylor药学院就已经提出并发表了代谢轮廓分析的药学院就已经提出并发表了代谢轮廓分析的理论。理论。1975年，年，Thompson 和和Markey利用气相色谱和质谱在代谢轮利用气相色谱和质谱在代谢轮廓分析的定量方面取得了较大进展；二十世纪七十年代末期这种廓分析的定量方面取得了较大进展；二十世纪七十年代末期这种方法得到了广泛认同；八十年代早期应用方法得到了广泛认同；八十年代早期应用HPLC和和NMR来对代来对代谢物进行分析。谢物进行分析。1986年，

5、年，Joumal of Chromatography A出版了一期关于代谢出版了一期关于代谢轮廓分析的专辑。轮廓分析的专辑。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于于2019年提出了年提出了代谢代谢组学（组学（metabolomics）的概念，之后很多植物化学家开展了这的概念，之后很多植物化学家开展了这方面的研究；方面的研究；2019年年Jeremy K.Nicholson等人提出等人提出metabonomics的概念。的概念。中英联合实验室Metabolomics：通过考察生物体系受刺激后：通过考察生物体系受刺激后代谢产物的变化，或研究随时间变化，生物体代谢

6、产物的变化，或研究随时间变化，生物体系的代谢途径的一种技术。模式生物和植物系的代谢途径的一种技术。模式生物和植物Metabonomics：生物体对：生物体对病理生理病理生理刺激或基刺激或基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化的因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化的研究。评价、监测这种变化的过程。研究。评价、监测这种变化的过程。代谢组：一个细胞、组织或器官中，所有代谢代谢组：一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，尤其指小分子物质组分的集合，尤其指小分子物质代谢组学：在新陈代谢的动态进程中，系统研代谢组学：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究代谢产物的

7、变化规律，揭示机体生命活动代谢本质的科学。谢本质的科学。中英联合实验室代谢产物的分析层次代谢产物的分析层次Oliver Fiehn 将对生物体系的代谢产物分析分为将对生物体系的代谢产物分析分为4个层个层次：次：1）代谢物靶标分析（）代谢物靶标分析（Metabolite target analysis）：）：某个或某几个特定组分的分析；某个或某几个特定组分的分析；2）代谢轮廓分析（）代谢轮廓分析（Metabolic profiling）：少数预）：少数预设的一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、性质设的一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径的所有中间产物或多条相关的

8、化合物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；代谢途径的标志性组分；3）代谢组学（）代谢组学（Metabolomics）：限定条件下的特定）：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；生物样品中所有代谢组分的定性和定量；4）代谢物指纹分析（）代谢物指纹分析（Metabolic fingerprinting）：）：不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类（如表型的快速鉴定）；（如表型的快速鉴定）；中英联合实验室代谢组学的内容和特点代谢组学的内容和特点转录组学和蛋白组学的局限性：转录组学和蛋白组学的局限性：n转录组学或蛋

9、白组学上的变化不总能反映基转录组学或蛋白组学上的变化不总能反映基因变更时在生化层面的表现型的改变。因变更时在生化层面的表现型的改变。n现代技术对于转录组学和蛋白组学中现代技术对于转录组学和蛋白组学中mRNA以及以及蛋白质蛋白质的识别是通过已知的识别是通过已知数据库数据库进行序进行序列比对的来实现的，因此识别和对比过程是列比对的来实现的，因此识别和对比过程是间接间接的。的。n如果在缺乏某如果在缺乏某mRNA或蛋白质的数据信息时，或蛋白质的数据信息时，以上的两种组学就只能为人们提供少量的信以上的两种组学就只能为人们提供少量的信息。息。中英联合实验室代谢组学的内容和特点代谢组学的内容和特点代谢组学的

10、优点：代谢组学的优点：1）基因和蛋白表达的有效的）基因和蛋白表达的有效的微小微小变化会在代变化会在代谢物上得到谢物上得到放大放大，从而使检测更，从而使检测更容易容易；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）的）的数据库数据库；3）代谢物的种类要远）代谢物的种类要远小小于基因和蛋白的数目，于基因和蛋白的数目，每个生物体中代谢产物大约在每个生物体中代谢产物大约在103数量级，细数量级，细菌基因组中几千个基因；菌基因组中几千个基因；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，所以代

11、谢组学研究中采用的技术更的，所以代谢组学研究中采用的技术更通用通用；中英联合实验室代谢组学的内容和特点代谢组学的内容和特点代谢组学的研究技术代谢组学的研究技术 核心技术是利用化学方法对不同状态下基核心技术是利用化学方法对不同状态下基因表达的不同代谢产物进行比较因表达的不同代谢产物进行比较n代谢物群矩阵代谢物群矩阵clique-metabolite matricesn单一代谢物单一代谢物首先被鉴定出来，然后在不同的代谢物首先被鉴定出来，然后在不同的代谢物组中寻找相关性；组中寻找相关性；n这些既独立又相关的代谢物被用来这些既独立又相关的代谢物被用来鉴定代谢途径鉴定代谢途径，寻找在已经受到影响的情况

12、下植物的寻找在已经受到影响的情况下植物的代谢网络代谢网络，而，而这些网络途径则用来测定和研究更加广泛的生物学这些网络途径则用来测定和研究更加广泛的生物学反应和基因功能。反应和基因功能。中英联合实验室代谢组学的内容和特点代谢组学的内容和特点局限性：局限性：n不能将生物体所有的代谢产物全面涵盖，活不能将生物体所有的代谢产物全面涵盖，活的生物体的内在生物学变化，大多实验仪器的生物体的内在生物学变化，大多实验仪器存在动力学局限性，导致代谢物的化学复杂存在动力学局限性，导致代谢物的化学复杂性性技术难题：代谢组学中的主要技术难点技术难题：代谢组学中的主要技术难点在于分析物浓度的动态范围在于分析物浓度的动态

13、范围？中英联合实验室代谢组学的研究策略代谢组学的研究策略A.A.代谢物靶标分析代谢物靶标分析（Metabolite target analysis）n直接研究基因变化的初级影响，可对专有的底物或直接研究基因变化的初级影响，可对专有的底物或相应编码蛋白进行分析。相应编码蛋白进行分析。n这个程序可以详细而精确的完成某个或某几个特定这个程序可以详细而精确的完成某个或某几个特定组分的分析。容易被其他相似的混合物所干扰。组分的分析。容易被其他相似的混合物所干扰。n为使分析准确，应用大量制备方法来清除样品中的为使分析准确，应用大量制备方法来清除样品中的杂质，并用灵敏度高的分析方法对样品进行检测。杂质，并用

14、灵敏度高的分析方法对样品进行检测。中英联合实验室代谢组学的研究策略代谢轮廓分析（代谢轮廓分析（Metabolic profilingMetabolic profiling）：）：代谢轮廓分析是少数预设的一些代谢产物的识代谢轮廓分析是少数预设的一些代谢产物的识别和定量分析，如某一类结构、性质相关的化别和定量分析，如某一类结构、性质相关的化合物（氨基酸、有机酸、顺二醇类）或某一代合物（氨基酸、有机酸、顺二醇类）或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分。有时在代谢物分析中，不必分析生物性组分。有时在代谢物分析中，不必分析生物样本中的所有化合物，只

15、要分析所研究的特定样本中的所有化合物，只要分析所研究的特定生化代谢途径即可。因此，在样品制备过程中生化代谢途径即可。因此，在样品制备过程中某一代谢途径的中间化合物时需要特别留意某一代谢途径的中间化合物时需要特别留意中英联合实验室代谢组学的研究策略代谢组学（代谢组学（Metabolomics）：）：代谢组学分析揭示了研究的生物学系统中对限代谢组学分析揭示了研究的生物学系统中对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的全定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的全面的定性和定量变化。外界环境的变化总是诱面的定性和定量变化。外界环境的变化总是诱导植物体产生交互式影响，有时这些影响会导导植物体产生交互式影响

16、，有时这些影响会导致一些与之不相关的代谢途径发生改变。为了致一些与之不相关的代谢途径发生改变。为了弄清所有的这些影响，代谢组学的分析是必不弄清所有的这些影响，代谢组学的分析是必不可少的。在这个分析过程中，精密的分析方法可少的。在这个分析过程中，精密的分析方法用来对一个样品种所有的化合物进行分析而不用来对一个样品种所有的化合物进行分析而不需要对样品进行纯化。需要对样品进行纯化。中英联合实验室代谢组学的研究策略代谢物指纹分析（代谢物指纹分析（Metabolic fingerprinting）：）：物图谱有其特质性，类似样品的物图谱有其特质性，类似样品的“指纹指纹”一样；一样；对这种特质性进行区分、

17、鉴定，被称为对这种特质性进行区分、鉴定，被称为“代谢代谢指纹分析指纹分析”，帮助找出机体代谢的共性与个性。，帮助找出机体代谢的共性与个性。代谢物指纹分析的目的在于根据其来源和生物代谢物指纹分析的目的在于根据其来源和生物学相关性对样品进行快速分类。在工业和临床学相关性对样品进行快速分类。在工业和临床应用上，它有时不能在一个样品中测定所有代应用上，它有时不能在一个样品中测定所有代谢物，也不能分离鉴定具体单一组分，但是对谢物，也不能分离鉴定具体单一组分，但是对于样品的快速分类是很合适的（如表型的快速于样品的快速分类是很合适的（如表型的快速鉴定）。鉴定）。中英联合实验室代谢组学的技术平台红外线光谱技术

18、（红外线光谱技术（IR），），核磁共振技术（核磁共振技术（NMR），），稀薄气液色谱技术（稀薄气液色谱技术（TLC），），高效液相色谱技术（高效液相色谱技术（HPLC），），高效毛细管电泳技术（高效毛细管电泳技术（HPCE），），毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（CE/UV），），毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（CE/LIF），），毛细管电泳与质谱连用技术（毛细管电泳与质谱连用技术（CE/MS），），气相色谱与质谱共用技术（气相色谱与质谱共用技术（GC/MS），），液相色谱与质谱共用技术（液相色谱与质谱共用技

19、术（LC/MS），），液相色谱与质谱先后使用技术（液相色谱与质谱先后使用技术（LC/MS/MS），），高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（LC/NMR/MS）中英联合实验室代谢组学的技术平台生物信息学生物信息学Bioinformatics数学分析平台数学分析平台 在代谢组学的研究中，大多数情况是要从检测在代谢组学的研究中，大多数情况是要从检测到的代谢产物信息中进行两类（如基因突变前到的代谢产物信息中进行两类（如基因突变前后的响应）或多类（如杂交后各不同表型间代后的响应）或多类（如杂交后各不同表型间代谢产物）的判别分类。因此在数据分析过程中谢产物）的判别分

20、类。因此在数据分析过程中应用的技术也就集中在模式识别技术上。其中应用的技术也就集中在模式识别技术上。其中主要方法包括无监督的主成分分析主要方法包括无监督的主成分分析（Principal component analysis,PCA）、）、簇类分析和簇类分析和K法簇类分析（法簇类分析（Hierarchical cluster analysis,HCA and K-means clustering）。）。中英联合实验室代谢组学在植物系统的应用代谢组学的很多研究集中在植物的细胞代谢组学这个相对独立的代谢组学的很多研究集中在植物的细胞代谢组学这个相对独立的分支分支。在一些实例中，基因改造的突变导致了可

21、测量的表现型的。在一些实例中，基因改造的突变导致了可测量的表现型的变化，利用代谢组学的方法可以描述生物化学引起的可观察的表变化，利用代谢组学的方法可以描述生物化学引起的可观察的表现型结果。我们可以通过以下几个领域来获得生物学信息：现型结果。我们可以通过以下几个领域来获得生物学信息：1）物种和基因型的指纹识别（从分类学和生物化学方面分类）物种和基因型的指纹识别（从分类学和生物化学方面分类）2）检测特殊代谢物种类的行为（通过植物对外界的物理化学刺）检测特殊代谢物种类的行为（通过植物对外界的物理化学刺激的反应）激的反应）3）研究植物建立共生关系或果实成熟的发展过程）研究植物建立共生关系或果实成熟的发

22、展过程 4）比较基因突变或转基因的植物与它们相对应的野生型的代谢）比较基因突变或转基因的植物与它们相对应的野生型的代谢物的异同。物的异同。因此应用代谢轮廓分析我们可以将所有因此应用代谢轮廓分析我们可以将所有“组学组学”技术相结合，来技术相结合，来相成一个从基因组学到代谢组学再到植物表现型的包含全部方面相成一个从基因组学到代谢组学再到植物表现型的包含全部方面信息的完整描述。信息的完整描述。中英联合实验室代谢组学在植物系统的应用利用基于利用基于GC/MS的代谢轮廓分析研究了转基的代谢轮廓分析研究了转基因土豆块茎中转化酵素的过量表达。分析数据因土豆块茎中转化酵素的过量表达。分析数据证明由于糖酵解的作

23、用，碳链被分割，导致了证明由于糖酵解的作用，碳链被分割，导致了淀粉积聚物的减少。在后续的研究中利用统计淀粉积聚物的减少。在后续的研究中利用统计学的方法可以将转基因土豆转化酵素的过量表学的方法可以将转基因土豆转化酵素的过量表达与葡萄糖激酶和蔗糖磷酸化酶联系起来，达与葡萄糖激酶和蔗糖磷酸化酶联系起来，这是第一个报道代谢轮廓分析与统计学相结合这是第一个报道代谢轮廓分析与统计学相结合分析植物表现型变化的例子。分析植物表现型变化的例子。中英联合实验室代谢组学的前景目前，代谢组学正日益成为研究的热点，随着研究的深入，代谢组学必将在揭示基因功能的功能基因组学中发挥更大的作用，帮助人们更好更深的了解生物体中各种复杂的相互作用及生物系统对环境和基因变化的响应，同时也提供了一个了解基因表型的独特途径。此外，代谢组学技术还用于植物表型的快速鉴定，以及知道开发具有重要应用价值的新兴代谢产物。