代谢组学/代谢组学入门
在生物学和生物化学领域，存在着许多功能层次。有基因组，它是细胞运作的基础蓝图。从基因组中产生蛋白质组；细胞和生物体的工厂、构建块和主力军。但这些都不足以真正理解生物系统的运作方式。
细胞和生物体中包含的不仅仅是蛋白质和 DNA。代谢物是有机化学化合物，它们要么启动生物学中的反应，要么作为中间体，在代谢途径中改变或被整合到每个反应中。这些化合物及其在整个细胞或物种中相互作用的总和就是代谢组。传统上，代谢是我们理解代谢组的方式。它是通过还原论方法在小规模途径中进行测量的。其理念是，部分的总和可以用来真正理解整体。但代谢组不能有效地通过部分的总和来找到，尤其是在系统生物学和代谢工程的背景下。
像表型组学（研究细胞表达的表型集合）和营养基因组学（研究营养与基因功能之间关系的新学科）等更高级别，在很大程度上依赖于以大规模方式理解代谢组。
代谢组学是解决这个问题的方案。一种全面、系统生物学意识的方法，用于全面理解代谢组。代谢组学试图避免还原论，并对细胞中的代谢水平应用高通量分析方法。它将彻底改变代谢工程等领域，并极大地提高我们对生物功能的认识。
介绍: 代谢组学
代谢组学到底是什么？
Roessner U, Bowne J. BioTechniques Special Issue (2009) 46:363–365
审稿人: Arooj I
- Ute Roessner 和 Jairus Bowne 撰写的“代谢组学到底是什么？”的主要关注点是描述各种技术（途径映射、代谢物指纹图谱、比较重叠等等），这些技术发展了代谢组学，以更好地了解生物体在环境中的组织和作用。研究中使用了四种物种来确定代谢物谱。这些物种是：苔藓 Physcomitrella patens、模式植物拟南芥、作物植物大麦和普通小麦。这些比较是使用诸如聚类分析、DiMS 和目标分析等技术进行的。
- 新术语 1
- 多变量方法: 这是一种基于多元统计的统计方法。多元统计是对一个时间点多个统计变量的统计分析。此技术可用于检测贸易研究中所有变量的影响。
- 新术语 2
- 遗传扰动: 这是对物理系统的一点微小变化。在遗传扰动中，生物变化，例如生物体中的突变。 http://www.ask.com/web?q=dictionary%3A+perturbation&content=ahdict%7C61997&o=10616&l=dir
- 新术语 3
- 代谢组: 代谢组是生物样本（例如单个生物体）中发现的代谢中间体、激素和其他信号分子以及次级代谢物等所有小分子代谢物的完整集合。
- 新术语 4
- 转录组学: 这是对转录组的研究。转录组是在任何特定时间点由基因组产生的完整 RNA 转录本集合。 http://www.ask.com/bar?q=What+is+Transcriptomics&page=1&qsrc=2417&dm=all&ab=0&u=http%3A%2F%2Fgenome.wellcome.ac.uk%2Fdoc_WTD020758.html&sg=M6I18%2Fh0XH0FoWssUi2tSOVf6%2FiU%2Fnjmbi36hiDRfOM%3D&tsp=1265598042743
- 新术语 5
- 目标分析: 此分析涉及使用一种特定的分析技术来确定和量化一小组已知代谢物。 http://www.jointcommission.org/NR/rdonlyres/2B5D26DA-6BD1-48FD-A7FA-F9BBCBA49A9D/0/ORYX_Target_Analysis.pdf
- 新术语 6
- 代谢物指纹图谱: 生成目标样本的质量谱，然后在大型样本人群中进行比较，以筛选样本之间的差异。 http://www.biotechniques.com/multimedia/archive/00044/BTN_A_000113133_O_44653a.pdf
- 新术语 7
- 直接进样电喷雾质谱 (DiMS): 在此技术中，亚种的粗提物被取出并直接注射到质谱仪中以获得质量谱。然后可以使用这些质量谱来研究一类亚种之间的代谢物差异。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC92589/
- 新术语 8
- 层次聚类分析: 这是一种聚类分析技术，它按层次顺序排列聚类。层次排列的两个主要类别是凝聚和分裂。聚类分析是将一组观察结果分配到聚类中，其中观察结果之间具有一定的相关性。 http://www.statistics.com/resources/glossary/h/hclusteran.php, http://www.clustan.com/hierarchical_cluster_analysis.html
在过去二十年中，代谢组学在对许多不同生物体的测序方面取得了巨大进展，并在开发用于研究不同细胞产物的分析方法方面投入了大量资金。这些“组学”方法，例如转录组学、代谢组学等，对于研究生物体对环境的反应至关重要。代谢组学有助于理解生物体的生理状态。代谢物是代谢组学的语言。目前仅采用了少数技术，例如结合色谱技术的质谱法和核磁共振法来分析这些代谢物。由于代谢组的复杂性，很难用单一技术进行分析。因此，必须建立多种方法来提取信息并将其解释为生物学背景。通过聚类分析、通路映射等方法可以实现检测、定量和鉴定。
代谢组学研究中的一种应用是目标分析，它有助于确定和定量少数已知代谢物。另一种应用是代谢物谱分析，它使用气相色谱-质谱法等重要工具分析大量化合物。代谢组学有助于尽可能多地定量代谢物，而代谢指纹图谱有助于区分这些样本。
代谢组学的大多数研究都基于系统发育树的构建。初级代谢物用于确定营养和生长状态。次级代谢物作为分类和系统发育的标记。直接注入电喷雾质谱法是确定不同真菌物种非常有用的工具。与表型树相比，超过 80% 的物种可以根据其质量谱进行分类。确定植物对非生物胁迫的适应和耐受机制表明，许多反应是植物特异性的，或者是在胁迫和/或植物之间共有的。
一项使用代谢组学技术比较四种不同物种代谢物水平的研究表明，这些物种的代谢物谱差异很大。此类分类表明代谢组学是生物体识别和分类的重要工具。代谢组学研究对生命的基本原理及其进化非常有帮助。代谢组学的缺点可能是它只测量生物系统中一小部分元素。未来，代谢组学的研究，例如不同生物体对不同环境的遗传、转录、蛋白质和代谢水平的反应，将加强我们对不同生命系统中生物学框架的认识。它还有助于我们了解生物体在自然界中的功能、组织和作用。
与传统代谢课程的相关性
[edit | edit source]代谢课程向学生讲解生物体中发生的化学反应，例如柠檬酸循环、糖酵解和糖异生。通过阅读本文，发现代谢组学是对生物体在日常生活中进行的细胞过程留下的化学足迹的研究。文章中描述了代谢组学所使用的各种技术，对这些足迹进行统计分析。文章中认为这些足迹被称为代谢物。这些代谢物在种类的亚种中使用代谢指纹图谱、DiMS 和层次聚类分析等技术进行研究。这些技术大多是新的分析方法，使生物化学家能够扩展其代谢研究目标。
网络资源：代谢组学概述
[edit | edit source]代谢组学概述
Barrett D. 代谢组学介绍 Powerpoint 文件。诺丁汉大学药学院分析生物科学中心。
审阅者：Steve S.
主要关注点
[edit | edit source]代谢组学基本原理的概述。作为该领域各种实验和分析技术的入门介绍。
新术语
[edit | edit source]- 基因组学
- 对生物体整个基因组的研究。重点是对生物体的整个基因组进行测序和分析。（来源：http://epa.gov/osa/spc/pdfs/genomics.pdf）
- 转录组学
- 对基因转录本的研究。该科学涉及对从 DNA 产生的所有类型的 RNA 进行研究，包括 mRNA、rRNA、tRNA 和非编码 RNA。转录本可以来自单个细胞或整个细胞群。（来源：http://www.systemsbiology.nl/datgen/transcriptomics/transcriptomics.html）
- 蛋白质组学
- 对生物体、细胞群或单个细胞的最终蛋白质产物的研究。使用各种技术来分离、识别和研究蛋白质组中的蛋白质。（来源：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9740045）
- 代谢组学
- 一个关于生物体为了满足其各种需求而发生的各种产物和反应的研究领域。包括对代谢物和代谢途径的研究。与蛋白质组学领域密切相关。（来源：http://www.bmrb.wisc.edu/metabolomics/）
- 代谢物
- 代谢过程中涉及的产物以及中间分子。（来源：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1904337/?tool=pubmed）
- 代谢途径
- 细胞内的化学反应组。通过一系列中间步骤，代谢途径提供所需的代谢产物。（来源：http://www2.ufp.pt/~pedros/bq/integration.htm）
- 色谱法
- 各种实验室技术，涉及分离混合物的组分。包括吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、排阻色谱和亲和色谱技术。（来源：http://www.iupac.org/publications/pac/1993/pdf/6504x0819.pdf）
- 核磁共振分析
- 对通过测量核磁共振获得的数据进行分析。核磁共振是当分子中某些原子核暴露于静磁场时会获得的一种现象。这种效应只在具有自旋属性的原子核中观察到。通过分析核磁共振水平，可以获得有关样品成分的信息。（来源：http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/inside.htm）
- 代谢指纹图谱
- 代谢指纹图谱是细胞在特定条件下的生化反应的瞬时测量。通过观察代谢组在不同条件下的变化，可以在典型症状出现之前诊断出这些条件。（来源：http://dbkgroup.org/dave_files/Pharmacogenomics.pdf）
- 质谱法
- 通过将分子分解成组成离子来确定分子的化学性质。然后根据这些离子的质量和电荷进行分离。质谱法的输出是特定质量/电荷的离子的计数。（来源：http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/MassSpec/masspec1.htm）
摘要
[edit | edit source]生物学可以被看作是四个相互关联的层次上的信息处理。每个信息层次都有一个相关研究领域。信息流从 DNA 开始，到 RNA，到蛋白质，最后到代谢物。这些分别作为基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学研究领域。代谢途径是相互关联的一组化学反应。这些途径很复杂，难以研究。然而，从代谢组学和代谢物研究中可以获得很多益处。许多代谢物是高度保守的分子。这意味着对一个生物体的研究通常可以产生适用于多种生物体的结果。代谢组可以显示遗传和环境影响。这使得代谢诊断具有强大的力量，因为无论疾病的来源是什么，它都可以被检测到。代谢物可以通过多种技术进行分析和测量。主要技术包括质谱法、核磁共振分析和色谱法。代谢组可以从四个层次进行观察。从最具体到最不具体，它们分别是：代谢物目标分析 - 测量单个代谢物的特定量；代谢物谱分析 - 观察相关化合物组的丰度；代谢组学 - 对细胞中所有代谢物的研究；代谢指纹图谱 - 将代谢组简单地分类为重要类别。研究代谢组存在很多困难因素。代谢组不是处理特定位点的静态信息，例如遗传学 - 由 4 个碱基对组成，或蛋白质 - 由 20 个氨基酸组成。相反，代谢涉及成千上万个不同分子的相互作用，并持续一段时间。代谢组测量的产物浓度范围可以从纳摩尔到微摩尔。代谢组分析数据需要进一步分析才能解释。这两种主要形式的分析分别是主成分分析。尽管存在这些缺点，但该分析带来的益处使其成为一个富有成效的研究领域。
与传统代谢课程的相关性
[edit | edit source]本文档是一个 PowerPoint 演示文稿，它提供了一个关于代谢组学的概述。它很好地作为一个对代谢组学可用技术以及这些技术背后的目的、优势和劣势的广泛介绍。文章简要概述了代谢物的作用及其在代谢途径中的位置——这主要是作为回顾呈现的，但对于已经熟悉这些概念的人来说是最有帮助的。本文档适合提供概述或进行广泛回顾，它不会深入探讨任何特定主题。