美格基因｜代谢组学入门: 揭开生命活动的“化学密码

代谢组学简介与定义

代谢组学是系统生物学中的一部分，系统生物学包含多个”组学”，可用以解释生物体从基因层级到人眼可观察到的遗传性状表现型的所有过程，包括：基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学，这些组学分别对应不同的研究目标: DNA、RNA、蛋白质、代谢物、遗传性状。而代谢组学就如其名称，是关于代谢物的研究，是将生物体细胞代谢的过程中所产生的，分子量1500 da以内的小分子，进行整合性分析。这些小分子可能包含蛋白质、化学物质、荷尔蒙、能量分子等等。代谢组学是一个在近十年来相对新的概念，包含许多生物化学活动的直接标志物，可以直接与基因表现型进行关联。

图1. 生物体中从基因到表现型之间的示意图。

代谢组学的基本分析原理与流程

进行代谢物研究的时候，一般包括几个步骤:

样品制备与分析

①　样本准备和萃取。

②　利用色谱法分离代谢物。

③　利用质谱仪将代谢物离子化。

④　根据代谢物离子化后的质荷比（m/z），质谱仪利用离子飞行或震荡，将所有离子进行分离。

⑤　以不同的RT组合和MS强度为基础进行侦测。

图2. 代谢组学工作流程: 样品制备与分析

数据处理、代谢物注释和文档

在仪器完成流程后，需进行数据收集、筛选、校正、标准化等生物信息分析，最后产出侦测或鉴定结果，及可视化图表和注释文档。

图3. 代谢组学工作流程: 数据处理和注释

图4. 代谢组学工作流程: 代谢物注释和文档。

非靶向与靶向代谢组学

代谢组学的研究方向可分为非靶向(untargeted)与靶向(targeted)两类。非靶向代谢组学主要用于”发现”，是对于样本中的小分子进行全面探测以及相对定量。靶向代谢组学主要用于”验证”，是对感兴趣的代谢物进行测量以及绝对定量。

图5. 非靶向与靶向代谢组学研究

非靶向与靶向代谢组学分析流程

非靶向或靶向代谢组学，分析流程可以有着以下的区别:

非靶向:

取生物样本，例如组织、细胞、血液或其他生物液体进行分析。这些样品接着会再用色相质谱分析进行数据收集。最后利用生物信息学软件解析样本中代谢物的整体概况。

靶向:

检测结果须建立在标准物上。从组织、细胞、血液或其他生物液体样本中提取出代谢物。将代谢物进行分析之后，利用与标准物的数据对比出目标代谢物的含量。

图6. 基于LC-MS的目标性以及非目标性代谢组学工作流程

常用分析平台

目前代谢组学的常用分析平台分为三种: 气相色谱-质谱(Gas chromatograph-Mass Spectrometry, GC/MS)、液相色谱-质谱(Liquid chromatograph-Mass Spectrometry, LC/MS)、核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）。三者的应用与优缺点可参考下表：

表1. 代谢组学常用分析平台的比较

应用领域

代谢组学的分析可以应用在许多领域，例如人类健康医药相关(生物标志、疾病、药物、饮食、免疫、老化等)，以及微生物组学、植物方面皆有应用。下图是文献所展示代谢组学可涵盖的领域。

图7. 代谢组学在各个科学领域的应用

*此图中每个领域所占的百分比，为作者Liu X于2015年利用搜索引擎找出的所有代谢组学相关文献，并统计文献在不同领域中之占比，仅供参考不代表绝对。

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