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伯豪生物 | 代谢组学 | 基础篇
发布时间:2020-03-20 浏览次数:7737
代谢组学是为以代谢组为研究对象的一门学科,代谢组指生物体系中参与生物代谢途径中的所有分子量低于1500Da的小分子物质,包括氨基酸、核酸、糖类、有机酸、类固醇、生物碱等等。而代谢组学则借助于高通量技术来鉴别且定量细胞、组织或者器官中所有代谢产物的生命科学研究。

代谢组学是为以代谢组为研究对象的一门学科,代谢组指生物体系中参与生物代谢途径中的所有分子量低于 1500Da 的小分子物质,包括氨基酸、核酸、糖类、有机酸、类固醇、生物碱等等。而代谢组学则借助于高通量技术来鉴别且定量细胞、组织或者器官中所有代谢产物的生命科学研究。


代谢通路整体图(来源于 KEGG 网站)

代谢组学的研究方向主要分为两块,分别为非靶向代谢组学研究和靶向代谢组学研究。


常规代谢组学流程图

非靶向代谢组学研究

非靶向代谢组学研究通常应用于表型明显不同的样本检测,从代谢维度寻得不同生物学事件的原因,如疾病的发生与诊断、药物作用、毒理研究、基因突变与修饰等等。非靶向代谢组学在这些研究中的应用是基于对所提供的生物样本的无偏向性检测实现的。由于代谢的波动性,这些样本需要根据其类别(微生物、动物、植物、临床样本等)提供足够的生物学重复以降低组内差异的影响。后期通过多元统计分析获得不同组别差异的代谢原因,结合生物信息学实验结果全面阐述生物体系生理变化的发生发展机制。

非靶向代谢组学中常用的技术平台有 GC-MS(气质联用仪)、LC-MS(液质联用仪)和 NMR(核磁共振)。在代谢组学的初期,代谢组学研究中 NMR 与 LC/GC -MS 文献几乎各占半壁江山,如今随质谱技术的普及及发展,以质谱平台居多。NMR 检测可以对代谢物同时定性和定量分析,但是由于灵敏度不高,因而检测到的动态范围有限,此外 NMR 设备价格昂贵,亦是目前应用较少的原因之一。色谱质谱联用技术,由于出色的灵敏度和分辨率,可以检测到的代谢物动态范围更为广泛。


各类型仪器优缺点对比图

需要注意的是,受代谢产物特性(分子量大小、挥发性、极性等)和动态变化范围(浓度高低不同)的影响,目前没有任何一个平台能够同时覆盖到样本中所有的化合物,需要通过改变前处理条件及各平台相结合的并行检测来改善。因此在选择检测平台时,需根据样本情况及经费预算进行综合考虑。


靶向代谢组学

靶向代谢组学则是检测目标代谢产物在生物体系中具体的含量值,以 jué对定性的结果来佐证前期的研究成果。根据目标代谢产物的特性,选择合适的检测平台(目前多采用 UPLC-MS/MS),购买相应标准品,进行分析方法的开发及验证,发挥仪器高灵敏度的优势,获得样本中指定的代谢物的浓度值。


LC-MS 靶向技术路线图

结合

非靶向和靶向技术相结合是目前代谢组学课题设计的常见思路。在研究阶段的初期,采取非靶向技术筛选到对组别差异造成贡献的潜在生物标志物;中期,可根据这份潜在生物标志物列表开发一套靶向检测方法,获得目标物质的 jué对定量信息;后期,可结合分子生物学实验完善机理研究,从基因、转录及蛋白等多个层面上阐述生理变化过程的机制,为临床、环境等实际应用提供指引方向。



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