代谢组学研究的分析技术

浅谈肿瘤代谢组学的研究进展

张好为

（天津市北辰区中医医院检验科）

[摘要]：自1999年代谢组学的概念提出以来，它在药物毒理研究、疾病诊断、系统生物学研究等诸多领域里的应用日益深入。代谢组学(Metabonomics)是对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,与基因组学、转录组学、蛋白质组学等一起构成系统生物学的技术平台。。近年来,代谢组学在肿瘤方面的应用也日益成为国内研究的热点,主要集中在肿瘤的诊断和抗肿瘤药物的代谢上。本文就代谢组学的概念、研究方法及其在肿瘤中的应用等方面的研究进展综述如下。

[关键词] 代谢组学; 代谢组学分析技术; 肿瘤; 代谢产物; 肿瘤标志物

一、代谢组学的概念

代谢组学［1］(Metabonomics)是后基因时代出现的一门新的“一omics”组学学科。它的研究中心在于定量地测定由病理生理刺激或基因变异诱导的与时间相关的多参数生物体代谢应答，并利用模式识别(Pattern Recognition)将这种应答与体内生物学事件关联，定位事件发生的靶器官和位点，确定生物标记物［2］. 目前,代谢组学的概念已得到公认,它是一门在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物变化规律、揭示集体生命活

代谢组学技术及在毒理学研究中的应用

摘要：代谢组学是定性和定量分析某一生物或细胞所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学，是系统生物学的重要组成部分。作为系统生物学重要组成部分的“代谢组学”，通过考察机体受毒物刺激后体液或组织中代谢物的整体动态变化轨迹，结合模式识别的多元分析方法，快速筛选毒性相关的分子标志物，进而更系统、更全面的揭示毒物作用于机体的典型特征，为相关毒性作用模型建立、环境或药物中毒性化学物的快速高通量筛选以及相关疾病的预防与治疗提供重要的科学依据。本文将从代谢组学的概况、代谢组学在毒理学中的应用进行综述。

关键词：代谢组学；毒理学；应用

“代谢组学”(metabonomics)是指对机体因环境因素刺激、病理生理扰动或遗传修饰等引起的多种代谢指标动态变化的系统性定量检测新方法，该技术广泛用于植物学、药理学、毒理学、遗传学等学科领域。“代谢组学”最早是在1999年由英国的Jeremy Nicholson提出的，是在利用核磁共振技术检测生物体液组成成分的基础上结合模式识别的分析方法发展而来，主要是通过考察生物体系受环境刺激或病理生理扰动后的代谢产物动态变化，分析代谢产物整体的变化轨迹，以此阐述某种病理(生理)过

中国科学: 化学 2014年 第44卷 第5期: 724 ~ 731

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

SCIENTIA SINICA Chimica

评 述 质谱分析专刊

基于质谱技术的代谢组学研究及其在中国的发展

王献

①②

, 林树海, 蔡宗苇*

②

②

① 中南民族大学化学与材料学院, 武汉 430074

② 香港浸会大学环境与生物分析国家重点实验室, 香港九龙 *通讯作者, E-mail: zwcai@hkbu.edu.hk

收稿日期: 2014-01-10 ; 接受日期: 2014-02-07; 网络版发表日期: 2014-04-03 doi: 10.1360/N032014-00016

摘要 代谢组学是关于生物系统代谢物组成及变化规律的科学, 是系统生物学的重要组成部分. 质谱技术是目前代谢组学研究中最主要的分析手段之一, 广泛应用于代谢组学各个领域. 本文阐述了基于质谱技术的代谢组学方法及其应用, 重点介绍和评论了近年来我国在该领域取得的进步和成果, 并对基于质谱技术的代谢组学研究目前存在的问题及未来的发展进行了分析与展望.

关键词 代谢组学 质谱技术 系统生物学

1 引言

后基因组时代如何解析基因组功能是生

20144312·357·

代谢组学数据分析的统计学方法

柯朝甫

1

*

张涛

2

武晓岩

1

李康

1Δ

代谢组学是近年发展快速的一门学科，目前在医学、植物学、微生物学、毒理学、药物研发等诸多领域中

［1-5］

。代谢组学研究产生大量的数得到了广泛的应用

据，这些数据具有高维、小样本、高噪声等复杂特征。

（4）相互作用关系复杂：各种代谢物质可能不仅

具有简单的相加效应，而且可能具有交互作用，从而增加了识别这些具有复杂关系的生物标志物的难度。

（5）相关性和冗余性：各种代谢物并非独立存在，而是相互之间具有不同程度的相关性，同时由于碎片、加合物和同位素的存在使得数据结构存在很大的冗余性，这就需要采用合理的统计分析策略来揭示隐藏其中的复杂数据关系。

（6）分布的不规则和稀疏性：代谢组学数据分布不规则，而且数据具有稀疏性（即有很多值为零），因此，传统的一些线性和参数分析方法此时可能失效。

数据的预处理

代谢组学数据分析的目的是希望从中挖掘出生物相关信息，然而，代谢组学数据的变异来源很多，不仅包括生物变异，还包括环境影响和操作性误差等方面。处理手段主要包括归一化（standardization）、标准化（normalization），即中心化（centering）和尺度

代谢组学在中医药现代化研究中的应用

5 6

天津药学

Taj P am c 20 i i h r ay 0 9年 nn

第 2卷第 1 1期

2潘洁， 5王远光，韩晓翌，中药新剂型一向制剂的应用.等.靶时珍国医

国药，07,8 8:0 3 20 l ( )2 2

代谢组学在中医药现代化研究中的应用孙国珍(天津市中心妇产科医院，天津摘要 3 05 ) 0 0 2

代谢组学的出现，中医药现代化研究提供了强有力的手段。运用代谢组学方法在评价中药的疗效、全给安

性、筛选种质资源、药代动力学以及方证相关的机理研究等领域展示了在中医药现代化研究中不可替代的优势地位，随着代谢组学的应用，必将大大加速中医药研究的现代化进程。 关键词代谢组学，中医药现代化，安全性评价，药代动力学文献标识码： A文章编号：065 8 (09 0 -060 10—6 7 2 0 ) 1 5 -3 0中图分类号：9 9 R 6

代谢组学是后基因时代出现的一门新兴“学”组

能为淫羊藿的主要药效物质基础。进而对大鼠体内基

学科，学科能用反映整体的代谢物图直接认识生理础代谢物谱、该‘肾阳虚大鼠代谢物谱及给淫羊藿后大鼠

和生化状态。代谢组学是新药研究开发的重要组成部体内代谢物谱进行比较研究，寻找与肾阳虚大鼠相关的

分类号

国际十进分类号（UDC）

密级

第四军医大学

学 位 论 文

基于RNA-seq技术的肝细胞肝癌转录组学研究

（题名和副题名）

指导教师姓名

指导教师单位申请学位级别

论文提交日期

论文起止时间

学位授予单位刘寒强 （作者姓名） 陈志南 教授/院士 第四军医大学基础部细胞生物学教研室 博士 专业名称答辩日期细胞生物学 200 年 月至2011 年 月 第四军医大学

独 创 性 声 明

秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我

个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

论文作者签名： 日期：

保 护 知 识 产 权 声 明

本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在

校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属第四军医大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为第四军医大学。学校可以公布论文的全部或部

蛋白质组学技术在课题设计及基金申请的解决方案学习班

2016年1月16-17日（周六、周日） 上海

（同月将举办科研基金申请与SCI论文撰写研讨班、系统评价与meta分析及临床科研设计、研究计划书制定和数据管理学习班详细内容咨询招生老师）

目前，高通量的基因组、转录组学技术非常成熟，能大规模的对样品DNA和RNA进行分析，

筛选到成千上万的差异表达基因。但是有一个核心的问题，即DNA/RNA的水平与蛋白质的水平没有正相关性（＜30%），导致在基因层面上筛选到差异表达基因往往不能映射到蛋白质水平；此外，蛋白质区别于DNA/RNA的另一个显著特性—翻译后修饰（磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、SUMO化等），蛋白质翻译后修饰往往会影响/改变蛋白质的活性和功能。蛋白质的翻译后修饰显然无法在DNA和mRNA水平上进行检测。

现在是后基因组时代。绝大多数的生物学/医学的学术文章，都要求做到蛋白质水平。鉴于DNA/RNA与蛋白质的诸多差异，直接从蛋白质水平入手，对样品进行分析是大势所趋。LC-MS为基础的蛋白质组学技术的快速发展，为蛋白质的高通量分析和后续特定蛋白质的深入功能解析提供了强有力的技术保障，其突出优势体现在：（1）高通量地对未知蛋

GC-MS在代谢组学方面的应用前沿

一、 GC-MS在代谢组学方面的核心技术简介

代谢组学是近年来发展起来的系统生物学分支， 旨在揭示生物体受外界剌激后， 体液、细胞及组织等生物样品中内源性代谢物的变化规律。气相色谱质谱联用技术（GC-MS）具有较高的分辨率和检测灵敏度，并且配有标准谱图库，可以方便地鉴别代谢组分，因而在代谢组学中应用广泛。代谢组学主要的分析手段有两种，一种是核磁共振技术，另一种就是色谱-质谱技术，核磁共振技术好处有很多，例如样品制备简单、对样品没有破坏性等，但是也有核磁共振技术对应的缺点，核磁共振技术灵敏度比较低。色谱-质谱技术包括气质联用、液质联用、毛细管电泳-质谱联用技术等等。但气相色谱-质谱技术最为成熟主要因为代谢物有标准的图库，可以方便对代谢组分进行定性鉴别，在代谢组学中应用广泛。 1、 衍生化技术

代谢组学研究的多数是血液、尿液、组织等样本，这些样本挥发性低，为了提高分离度我们必须要将样品进行衍生化处理。主要采用的衍生化方法包括硅烷化反应、酰化作用、烷基化作用及酯化反应。其中硅烷化是将含有质子性基团的化合物与硅烷化试剂形成挥发性的硅烷衍生物。 2、 分析鉴定方法

生物样品中代谢物的种类和数量繁多，对色谱柱温要求较高

肠道菌群16s 宏基因组及代谢组关联分析方案

一、项目简介

1.1 多组学关联分析概述

对多组学进行关联分析主要包括跨组学相关性分析以及基于机器学习算法的组合型生物标志物发现和多组学数据的深度挖掘。其中，对于跨组学相关性分析目前主要由 4 部分组成，分别是：

（1）基于参考文献和数据库的关联分析； （2）基于代谢通路分析的关联分析； （3）基于交互作用的关联分析； （4）基于统计方法的关联分析。

在基于统计方法的关联分析中，不仅包含了基于相关性的整合分析，如皮尔森相关性分析(Pearson Correlation)、斯皮尔曼秩相关性分析 (Spearman Rank Correlation) 等，而且还有基于数据拼接的整合分析、基于多变量的整合分析（如典型的 O2PLS 分析）和基于代谢通路（pathway）的整合分析。

图 1. 多组学关联分析示意图

1.2肠道菌群 16s rRNA 测序

核糖体是细菌唯一的细胞器，是蛋白质合成的场所，它的沉降系数是 70s，在适当条件 下解离成 50s 和 30s 两个大小亚基，两个亚基都含有 RNA 和蛋白质。rRNA 按沉降系数分 3种，分别为 5s，16s 和 23s。

5s 和 23s rRNA

技术支持的学情分析

一、学情分析目的

针对2020年春季线上教学进行测试，并分析其中存在的问题，线上教学的可操作性和对于今后课堂教学的补充性。通过对比，找出课堂教学的必要性和线上教学的适用环境、适用情况和适用范围，从而为更好的展开教学活动，跟上时代的发展，促进日常教学工作而服务。

二、教学主题

根据2020年春季已经开展的线上教学进行命题，利用合适的平台进行测试，完成对线上教学效果的评价。

三、教学对象

2019年入校初中生。

四、教学重点

初中地理八年级下册第五、六章节内容。其中以第六章为主。

五、学习难点

因为使用的是线上教学，基本上是教师一人完成，互动环节几乎为零，在教师无法第一时间掌握学生反馈的情况下，教师要自行模拟或者自行模拟学生的学习所求和学习瓶颈，个别特殊情况无法预知。

六、学情分析方法和工具

计划使用问卷星软件进行。一方面基于目前所学内容出题目，另一方面，采用选择题型为主，简答题为辅的方法，尽量便于学生在电脑终端或者手机、ipad等终端上的操作。同时，利用问卷星的组卷功能和答案核实功能，自动阅卷，并形成较全面的数据。根据

这些数据进行学情分析，让教师和学生对自我的认识一目了然，具有可参照性，从而继续指导教师日后的教学，也能让学生知道自己目前地理学习中的