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代谢组学概念及内涵

代谢组学是上世纪90年代中期发展起来的一门对某生物或细胞所有低分子量（相对分子量小于1000）代谢产物进行定性和定量分析的一门新科学。与传统的代谢研究相比，代谢组学通过现代化学的仪器分析技术测机体整个代谢产物谱的变化，并通过多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。

根据研究对象的不同，目前科学界把它分为四个层面：
代谢物靶标的分析：某个或几个特定组分的分析。
代谢谱分析：少数预设的一些代谢产物的定量分析。
代谢组学分析：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。
指纹图谱分析：不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类。

严格来说只有后两层次才是真正意义上的代谢组学。目前国内学者趋向于把metabolomics定义为着重研究单个细胞或细胞类型中所有的小分子成分波动规律。而把metabonomics定义为着重研究有机体对由病理生理刺激或遗传变异引起的与时间相关的多参数应答。从另一个角度理解metabolomics研究的是一个基因组间的相互作用，而metabonomics是指多个基因组间的在某种条件下的相互作用。

在代谢组学研究的最早时期多用核磁共振的方法，这种方法具有样本制备简单，对成分分析无偏性的特点，但仪器昂贵，且灵敏度不高。在植物研究领域GC-MS使用广泛，灵敏度较NMR提高，可以进行痕量分析，且重复性好，有标准的图谱数据库。但只能对挥发性成分进行测定，不挥发物质需进行衍生化才能检测。在医药领域生物样品中多为非挥发性成分，所以应用受到限制。目前代谢组研究分析方法发展到LC-MS，基本弥补了前两种方法灵敏度不高，检测范围不广的缺陷。但由于HPLC/MS仪采用的是软电离技术，只给出样品的准分子离子峰，且流动相的组成和接口温度又不可能做到完全一致，因此HPLC/MS（多级）目前无标准谱图库可供检索。

代谢组学地位

同以基因，mRNA，蛋白质为研究对象的基因组学，转基因组学，蛋白质组学一起均为系统生物学的重要组成部分。基因组图谱的***构建了生命的蓝图，但怎样把生命的蓝图实现，需要有转录组学，蛋白质组学及代谢学的运用。生命功能的执行者是蛋白质，因此蛋白质的研究构成目前研究的主题，但在生命过程中的各种变化有着蛋白质组学无法触及的角落。例如，生命活动的调节很多时候不是以调节蛋白质的量的增多为标志，而是以其活性的改变实现的。虽然如此，与之相关活动的代谢产物的量却可明显改变，因此代谢学可以捕捉到这种变化。

与其他组学相比具有如下特点：1）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，从而检测更容易。2）MCA（metabolic control analysis）理论和经验均表明，尽管有酶的存在，但代谢平衡（metabolic flux）并没有明显的改变，而代谢产物确有明显的改变。3）代谢物的种类要远远小于基因和蛋白的数目。4）研究表明，metabolic fluxes 不仅受基因表达的调控，也受环境因素的影响。5）估计代谢组学实验的花费比蛋白质组学，转录组学要少2/3至1/2。

目前代谢组学研究主要集中于疾病的诊断，营养学，药物作用机制，药物毒理学及植物学等方面。

代谢组学研究方法

代谢组学作为一门刚刚起步的新学科，其技术平台还很不成熟.还没有一种技术能对所有的分子进行分析，所以各技术的组合成了目前的主要方法.其研究的思路大致为：快速精确地分析代谢物→→模式识别生物样品→→鉴定相关的生物标志物→→生物过程机制联系。

代谢组学研究过程包括：前期的样品制备，中期的代谢产物分离、检测与鉴定以及后期的数据分析与模型建立三个部分。

1．样品制备
样品的制备的过程中必须遵循：①样品中给组分应该尽量多地保留；②有利样品中各组分的相互分离；③不能改变样品中各组分的相对浓度；④以尽量少的步骤达到目的；⑤注意内参的加入。具体制备不同样品来源分述如下（以LC-MS为例）：
血液样品：血清或血浆加等体积乙晴沉淀蛋白，离心除去沉淀，冻干保存和运输。检测时再适量的乙晴溶解。
尿液样品：收集时应注意加防腐剂如叠氮氨及必要的冰浴，防止细菌污染。收集后离心，过滤。

2．代谢物分析技术
色谱/质谱联机技术和磁共振为当前代谢组学研究的两大核心技术，分述如下：

气相色谱/质谱联机：首先需对样品进行衍生化处理， 来增加样品的稳定性和挥发性， 以利于用气相色谱和质谱联机（GC/ MS） 中的气相色谱仪进行分离。接着， 质谱仪可以对气相色谱中的每一个峰以1秒的间隔进行扫描， 获得每个峰的质谱图。每个峰所代表的化合物的分子结构可以通过其碎片峰的类型和质/ 荷比（m/z 值）结合有关质谱数据库来进行鉴定， 其含量可以通过峰面积的大小来定量。

高效液相/质谱联机：原理和气相色谱/质谱联机基本相同，样品不需要衍生化处理。多用于难以衍生化，不稳定及不易挥发，分子量较大样品处理。为了区分异构体， 有关代谢产物用液相进行纯化并分部收集后， 须再用核磁共振进行结构解析。

磁共振：同上述两种比较，灵敏度低，不能对样品中痕量物质进行检测。但也有其明显的特点，①没有偏性，对样品中所有的物质灵敏度是一样的，而质谱有离子化程度和基质干扰等问题。②具有无损伤性，不会破坏样品的结构和性质，可在接近生理条件下进行实验，可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件；③可以进行实时和动态的检测；可设计多种编辑手段，实验方法灵活多样。NMR 氢谱的谱峰与样品中各化合物的氢原子是一一对应的， 所测样品中的每一个氢原子在图谱中都有其相关的谱峰， 图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对含量。因此，NMR 方法很适合研究代谢产物中的复杂成分。

3．分析及标志物的识别
目前已经有商品化的代谢组学专门分析软件，如WATERS公司的markerlyks和PDI公司的profile。使得代谢组学分析相对简化。

编辑:bluelove