代谢组学-许国旺.ppt
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1、代谢组学代谢组学-方法与应用方法与应用 授课教师授课教师:吴敬:吴敬 教授教授 授课时间:授课时间:2009年年11月月1江南大学 “基因组学反映了什么是可以发生的,转录基因组学反映了什么是可以发生的,转录组学反映的是将要发生的,蛋白质组学指出了组学反映的是将要发生的,蛋白质组学指出了赖以发生的,只有代谢组学才真正反映业已发赖以发生的,只有代谢组学才真正反映业已发生的。生的。”许国旺许国旺2江南大学第一章第一章 代谢组学的简介代谢组学的简介 第二章第二章 代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法第四章第四章 代谢组学的应用代谢组学的应用第五章第五章 代谢组学的发展前景代谢组学的发展前景 3江南大学
2、组学时代组学时代4 4种最重要的组学种最重要的组学4江南大学代谢组学代谢组学(Metabonomics/Metabolomics Metabonomics/Metabolomics)是通过考察生)是通过考察生物体系(细胞、组织物体系(细胞、组织 或生物体)受刺激或扰动后(如将某或生物体)受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后),其代谢产物的变化或其个特定的基因变异或环境变化后),其代谢产物的变化或其随时间的变化,来研究生物体系的一门科学。随时间的变化,来研究生物体系的一门科学。代谢组代谢组(metabolomemetabolome)是基因组的下游产物也是最终产物,)是基因组的下游产
3、物也是最终产物,是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长功能是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长功能 和和生长发育的小分子化合物的集合,主要是相对分子量小于生长发育的小分子化合物的集合,主要是相对分子量小于10001000的内源性小分子。的内源性小分子。代谢物数量因物种不同而差异较大:代谢物数量因物种不同而差异较大:植物(植物(200 000200 000种)、动物(种)、动物(25002500种)、微生物(种)、微生物(15001500种)种)5江南大学 代谢组学是继代谢组学是继基因组学基因组学和和蛋白质组学蛋白质组学之后新近发展之后新近发展起来的一门起来的一门学科学科,是,是系
4、统生物学系统生物学的重要组成部分。的重要组成部分。基因组学和蛋白质组学分别从基因组学和蛋白质组学分别从基因基因和和蛋白质蛋白质层面探层面探寻寻生命生命的活动,而实际上的活动,而实际上细胞细胞内许多生命活动是发生在内许多生命活动是发生在代谢物层面的,如细胞信号释放(代谢物层面的,如细胞信号释放(cell signalingcell signaling),),能量传递,细胞间通信等都是受代谢物调控的。代谢组能量传递,细胞间通信等都是受代谢物调控的。代谢组学正是研究代谢组(学正是研究代谢组(metabolomemetabolome)在某一时刻细胞在某一时刻细胞内所有代谢物的集合内所有代谢物的集合的一
5、门学科。基因与蛋白质的的一门学科。基因与蛋白质的表达紧密相连,而代谢物则更多地反映了细胞所处的环表达紧密相连,而代谢物则更多地反映了细胞所处的环境,这又与细胞的营养状态,药物和环境污染物的作用,境,这又与细胞的营养状态,药物和环境污染物的作用,以及其它外界因素的影响密切相关。以及其它外界因素的影响密切相关。因此有人认为,因此有人认为,“基因组学和蛋白质组学告诉你什基因组学和蛋白质组学告诉你什么可能会发生,而代谢组学则告诉你什么确实发生了。么可能会发生,而代谢组学则告诉你什么确实发生了。”(Bill Lasley,UC DavisBill Lasley,UC Davis)6江南大学1982198
6、21983198319841984198919891999199920002000200120012002200220042004Van De GreefVan De Greef:publication of MS for urine profilingSadler,Buckingham and Sadler,Buckingham and Nicholson:Nicholson:First publication on 1H-NMR of blood and plasmaNicholson,et al.:Nicholson,et al.:Multi-component analysis of
7、spectra data from rat urineNicholson and Wilson:NMR spectroscopy of biofluidsNicholson:Nicholson:Definition of MetabonomicsHaselden,et al.:Haselden,et al.:First independent Pharma publication of MetabonomicsNicholson,Lindon,and Nicholson,Lindon,and Holmes:Holmes:Publication in Nature on Metabonomics
8、Holmes and Antti Holmes and Antti Explanation of statistics in MetabonomicsIncreasing#of Increasing#of publicationspublications第一章第一章 代谢组学简介代谢组学简介代谢组学的发展代谢组学的发展7江南大学代谢组学的特点:代谢组学的特点:1.1.关注内源化合物关注内源化合物2.2.对生物体系的小分子化合物进行定量定性研究对生物体系的小分子化合物进行定量定性研究3.3.上述化合物的上调和下调指示了与疾病、毒性、基因上述化合物的上调和下调指示了与疾病、毒性、基因修饰或环境因子
9、的影响修饰或环境因子的影响4.4.上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药物筛选物筛选与转录组学和蛋白组学相比,代谢组学有以下优点:与转录组学和蛋白组学相比,代谢组学有以下优点:1.1.基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大,基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大,从而使检测更容易从而使检测更容易2.2.代谢组学的研究不需要建立全基因测序及大量序列标代谢组学的研究不需要建立全基因测序及大量序列标签(签(ESTEST)的数据库)的数据库3.3.代谢物的研究种类远小于蛋白质的数目代谢物的研究种类远小于蛋白质的数目4.4.研究中采用
10、的技术更通用研究中采用的技术更通用8江南大学 Genomics and Proteomics are not sufficient to describe reasons for toxicity or disease state 基因组学和蛋白组学对于毒性或疾病状态的描述是不足的基因组学和蛋白组学对于毒性或疾病状态的描述是不足的 Neither Genomics nor Proteomics can produce time course information which is important for animal to animal comparison 基因组学和蛋白组学都不能提供
11、动态信息,但这些信息对于动物间的比较是重要的基因组学和蛋白组学都不能提供动态信息,但这些信息对于动物间的比较是重要的 Metabolite profiling produces information on the biochemical pathways effected 代谢物分析能提供生化途径结果的信息代谢物分析能提供生化途径结果的信息 Monitoring metabolites allows concurrent or sequential affects to be monitored,e.g.blocking of a metabolic pathway in the liver
12、 can lead to toxicity in the brain(hydrazine)代谢监控可监控即时或相继的结果,例如:阻断肝脏中代谢途径会在脑中产生毒性肼代谢监控可监控即时或相继的结果,例如:阻断肝脏中代谢途径会在脑中产生毒性肼 Metabonomics,unlike the other“omics”is non-invasive 不像别的组学研究,代谢组学是无创的不像别的组学研究,代谢组学是无创的The Need for Metabonomic Information9江南大学代谢组学研究现状代谢组学研究现状 代谢组学属于代谢组学属于全局系统生物学(全局系统生物学(Global s
13、ystems Global systems biologybiology)研究方法,便于对复杂体系的整体进行认识研究方法,便于对复杂体系的整体进行认识譬如,一个正常工作的人体包括譬如,一个正常工作的人体包括“人体人体”本身和与本身和与之共同进化而来且共生的消化道微生物群体(或称菌之共同进化而来且共生的消化道微生物群体(或称菌群),孤立地研究群),孤立地研究“人体人体”本身的基因,转录子以及本身的基因,转录子以及蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息,蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息,但无法提供使人体正常工作不可缺少的菌群的信息但无法提供使人体正常工作不可缺少的菌群的信息人
14、体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每人体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每一个细胞的信息,因此代谢组学方法对研究如人体这一个细胞的信息,因此代谢组学方法对研究如人体这样复杂的进化杂合体十分有效样复杂的进化杂合体十分有效10江南大学不同器官不同器官组织具有不同的代具有不同的代谢轮廓,广廓,广谱全采集全采集11江南大学 代谢组学已经广泛地应用到了包括药物研发代谢组学已经广泛地应用到了包括药物研发,分子生理学分子生理学,分子病理分子病理学学,基因功能组学基因功能组学,营养学营养学,环境科学等重要环境科学等重要领域领域.在代谢组学诞生后的在代谢组学诞生后的6 6年里年里,有关代谢组学的
15、研究论文和专利以指数的形式逐年增长有关代谢组学的研究论文和专利以指数的形式逐年增长.12江南大学 代谢组学与系统生物学代谢组学与系统生物学 系统生物学概念的诞生系统生物学概念的诞生标志标志着研究哲学由着研究哲学由 还原论还原论 向向 整体论整体论 的变化的变化.系统生物学的中心任务就是要针对生物系系统生物学的中心任务就是要针对生物系统整体统整体(无论它是生物细胞无论它是生物细胞,多细胞组织多细胞组织,器官还是生物整体器官还是生物整体),),建立定量建立定量,普适普适,整体和可预测整体和可预测(QUIP)(QUIP)的认知的认知.具体而言具体而言,系统生物学研究就是要将给定生物系统的基系统生物学
16、研究就是要将给定生物系统的基因因,转录转录,蛋白质和代谢水平所发生的事件蛋白质和代谢水平所发生的事件,相关性及其对所相关性及其对所涉及生物过程的意义进行整体性认识,从而出现了许多的涉及生物过程的意义进行整体性认识,从而出现了许多的 组组 和和 组学组学 的新概念的新概念.13江南大学 现已提出的一百多个现已提出的一百多个 组组 和和 组学组学,可以大体归纳为可以大体归纳为 基因组基因组/基因组学基因组学,转录组转录组/转录组学转录组学,蛋白质组蛋白质组/蛋白质组学蛋白质组学 和和 代谢组代谢组/代谢组学代谢组学 四四个方面个方面.显而易见显而易见,DNA,mRNA,DNA,mRNA以及蛋白质的
17、存在为生物过程的发生提供了物质基以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础础(但这个过程有可能不发生但这个过程有可能不发生!),!),而代谢物质所反映的是已经发生了的生物学事而代谢物质所反映的是已经发生了的生物学事件件.因此代谢组学是对一个生物系统进行全面认识的不可缺少的一部分因此代谢组学是对一个生物系统进行全面认识的不可缺少的一部分,是全局是全局系统生物学系统生物学(global systems biology)(global systems biology)的重要基础的重要基础14江南大学第二章第二章 微生物代谢组学的研究方法微生物代谢组学的研究方法Challenges of Meta
18、bonomicsSample Complexity and Data HandlingEach sample has.,Each sample has.,a wide range of compound classes a wide variation in metabolite concentrations a large number of potential componentsEach group of samples has,Each group of samples has,many sample analyses are required for statistical rele
19、vancea complex raw dataset that needs to be processeddifferences between sample groups which need to be highlighted15江南大学 代谢组学代谢组学(metabonomics(metabonomicsmetabolomics)metabolomics)是效仿是效仿基因组学和蛋白质组学的基因组学和蛋白质组学的研究思想研究思想,对生物体内所有,对生物体内所有代谢物进行定量分析,并寻找代谢物与生理病理变化代谢物进行定量分析,并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式,是系统生物学的组成
20、部分。的相对关系的研究方式,是系统生物学的组成部分。其其研究对象研究对象大都是相对分子质量大都是相对分子质量10001000以内的小分以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法基本方法。16江南大学 代谢组学代谢组学利用利用高通量、高灵敏度与高精确度的现代高通量、高灵敏度与高精确度的现代分析技术,分析技术,动态跟踪动态跟踪细胞、有机体分泌出来的体液中的细胞、有机体分泌出来的体液中的代谢物的整体组成,代谢物的整体组成,借助借助多变量统计方法,来多变量统计方法,来辩识和解
21、辩识和解析析被研究对象的生理、病理状态及其与环境因子、基因被研究对象的生理、病理状态及其与环境因子、基因组成等的关系。组成等的关系。“代谢组学代谢组学”是一种整体性的是一种整体性的研究策略研究策略,其研究策,其研究策略有点类似于通过分析发动机的尾气成分,来研究发动略有点类似于通过分析发动机的尾气成分,来研究发动机的运行规律和故障诊断等的机的运行规律和故障诊断等的“反向工程学反向工程学”的技术思的技术思路。由于代谢组学着眼于把研究对象作为一个整体来观路。由于代谢组学着眼于把研究对象作为一个整体来观察和分析,也被称为察和分析,也被称为“整体的系统生物学整体的系统生物学”。17江南大学研究方法和步骤
22、研究方法和步骤1.1.样品制备:足量的代表性样品(样品制备:足量的代表性样品(-80-80保存)保存)2.2.2.2.数据采集和标志物识别:常用色谱数据采集和标志物识别:常用色谱-质谱联用质谱联用 、NMRNMR3.3.3.3.数据分析:数据分析:PCAPCA、PLSPLS、ANNANN4.4.4.4.代谢途径分析:代谢轮廓分析和代谢组学分析代谢途径分析:代谢轮廓分析和代谢组学分析18江南大学The strategy for large scale metabonomics research19江南大学样品制备样品制备 微生物代谢物样品的制备一般分为微生物培养、淬灭和微生物代谢物样品的制备一般
23、分为微生物培养、淬灭和代谢产物的提取。根据研究对象、目的和采用的分析技术不代谢产物的提取。根据研究对象、目的和采用的分析技术不同同,所需的样品提取和预处理方法各异,不存在一种普适性所需的样品提取和预处理方法各异,不存在一种普适性的标准化方法。的标准化方法。微生物代谢组学研究要求微生物的生长条件是可以控制微生物代谢组学研究要求微生物的生长条件是可以控制和重复的。在一个生物反应器中,需要严格控制温度、和重复的。在一个生物反应器中,需要严格控制温度、pHpH、培养基组成、溶解氧和二氧化碳等以明确界定生长条件,建培养基组成、溶解氧和二氧化碳等以明确界定生长条件,建立标准的和可重复的参考培养条件。微生物
24、的培养可以以分立标准的和可重复的参考培养条件。微生物的培养可以以分批、补料或者连续培养模式进行。由于连续培养的菌体生理批、补料或者连续培养模式进行。由于连续培养的菌体生理稳定,易于控制且重现性较好,所以,大多数研究者倾向于稳定,易于控制且重现性较好,所以,大多数研究者倾向于应用生物反应器连续培养操作模式。应用生物反应器连续培养操作模式。20江南大学在样品淬灭和代谢物的提取过程中,应遵循的原则是:在样品淬灭和代谢物的提取过程中,应遵循的原则是:(1 1)淬灭工艺最好可以立即冻结细胞代谢)淬灭工艺最好可以立即冻结细胞代谢(2 2)在淬灭过程中要求细胞膜无明显损伤,以免胞内代)在淬灭过程中要求细胞膜
25、无明显损伤,以免胞内代谢物外泄。谢物外泄。(3 3)提取过程中应该尽可能多的提取胞内代谢物。)提取过程中应该尽可能多的提取胞内代谢物。(4 4)代谢产物不应该遇到任何物理或化学修饰。)代谢产物不应该遇到任何物理或化学修饰。(5 5)得到的样品基质应与所选择的分析方法相容。)得到的样品基质应与所选择的分析方法相容。冷甲醇、液氮和热乙醇是最常用的淬灭方法,而在冷甲醇、液氮和热乙醇是最常用的淬灭方法,而在提取方面由于特定的提取条件往往仅适合某些类化合物提取方面由于特定的提取条件往往仅适合某些类化合物目前尚无一种能够适合所有代谢产物的提取方法应该根目前尚无一种能够适合所有代谢产物的提取方法应该根据不同
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