一文看懂什么是代谢组学

代谢组学的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物，代谢组学则是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科　(Goodacre，2004)。它是以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标的系统生物学的一个分支。

一、什么情况下选择代谢组学?

代谢组学(Metabonomics or Metabolomics) 代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分。之后得到迅速发展并渗透到多项领域，比如疾病诊断、医药研制开发、营养食品科学、毒理学、环境学，植物学等与人类健康护理密切相关的领域。基因组学和蛋白质组学分别从基因和蛋白质层面探寻生命的活动，而实际上细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放(cell signaling)，能量传递，细胞间通信等都是受代谢调控的。

二、代谢组学该选择什么平台?

代谢组学的技术平台主要分为NMR、GC-MS、LC-MS。

NRM核磁共振技术，是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

GC-MS全称是气相色谱质谱联用技术，载气推动复杂分析物，经气相色谱分离，进入到高真空质谱系统的离子源进行离子化。根据不同碎片离子在电磁场的不同运动行为，按质荷比(m/z)排列得到质谱信息，进而实现代谢物的定性定量。

LC-MS全称液相色谱质谱联用技术。样品在色谱部分和流动相分离，被离子化后，经质谱的质量分析器将子母离子碎片按质量数分开，经检测器得到化合物质谱信息，进而得到代谢物的定性定量结果。

GC-MS和LC-MS技术结合了色谱良好的分离能力和质谱的普适性、高灵敏度以及专一性， 是目前做代谢组学常用的技术平台。但是目前为止没有任何一个检测平台能够同时检测样本中所有的化合物，只能通过选择性的提取结合各检测平台的并行检测来解决。因此在选择平台时应结合自身样本情况与个体需求，综合考虑。

三、做代谢组学选取什么类型的样本? 样本如何处理?

一般而言，代谢组学样本的类型多种多样，常见的有以下几大类:血清、血浆、尿液、粪便、细胞、细菌、组织、培养液、植物的花、茎、叶等。老师们可根据自己的研究目的选取合适的样本进行实验。

代谢研究的样本处理和采集要遵循“保持最鲜活状态”的原则，采集样本后立即通过置于液氮、干冰或者-80°C冰箱中，阻止样本离体后的进一步代谢活动， 并保证样本在实验前一直处于-80°C以下。

四、代谢组学的研究

非靶向代谢组学服务，即普筛或者盲筛，目的在于筛选出两组样本间的差异代谢物，结果我们会提供一份数据矩阵，多元统计分析(PCA、PLS-DA、OPLS-DA)，差异代谢物列表，高级分析(差异代谢物层次聚类分析和通路注释、富集分析)。需要注意的是LC-MS非靶向代谢组学分析无法得到全物质鉴定的信息。GC-MS非靶向代谢组学如果需要全物质鉴定的信息需提前。

五、开展代谢组学研究，如何设计样本的生物学重复?

代谢物处于生命活动的下游，相较于基因和蛋白，其动态波动性大。因此需要很多生物学重复来增加数据的可靠性和说服力。

对于全物质鉴定的项目:一般情况下是可以不设置生物学重复，也可以设置生物学重复，没有特别的规定，老师可根据实际实验需求进行设置。

非靶向代谢组学项目:是必须要设置生物学重复的。通常情况下细胞/微生物样本每组至少6个生物学重复，模式动物/植物样本每组至少10个生物学重复，临床样本每组至少30个生物学重复。样本重复数量强烈建议大于6个，样本数量过少，后续多元统计分析模型容易过拟合，统计结果不可靠，会遭受质疑。

靶向代谢组学项目:一般是用于验证的，所以生物学重复的个数越多最终的结果是越可靠的。一般情况下，靶向代谢组学每组至少3个生物学重复，少于3个生物学重复结果是不可靠的。

六、同一个实验的样品可不可以分成两批检测?

建议最好不要分成两批检测，因为这两个时间点仪器的响应是会发生变化，这样可能导致的问题是一些含量低的物质可能只在一个批次里被检出，这样导致最终的结果不可靠，我们应当尽可能的减少人为因素以及仪器对实验结果的影响。

七、每组样本的生物学重复个数一定要一致吗?

每组样本的生物学重复的个数不一致也是可以的，但最好相差不要太多，差别不要超过2/3就可以了。相比较而言，每组生物学重复的数量足够多是更为重要的。

八、代谢组学的发展前景

代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、转录组学后出现的新兴“组学”,自1999年以来，每年发表的代谢组学研究的文章数量都在不断增加。从表面上看，代谢组学的发展很迅速，但是仍然远远落后于基因组学和蛋白质组学。“我们还在期待着重大发现”，Griffin博士解释说，在Nature上发表的那些文章，让人们对代谢组学充满了期待：寻找一种新的生物标记物，发现一条新的代谢途径，或更深入的了解目前已知的这些途径。尽管还没有经典论文出现,但是研究人员相信，与基因组学和蛋白质组学相比，代谢组学将在临床上发挥更大的作用。许多公司通过市场研究发现，健康人并不希望进行基因型分析，所以，对于这些人群来说，基因组学研究在临床上的应用很有限。而代谢组学与临床化学较为相似，且相对于基因组学来说，提供的个人信息更少，故其在临床上的应用有可能产生一定的影响。较低的费用，是促使代谢组学在临床上易于接受的另一个原因。Griffin博士指出，与其他“组学”研究相比，代谢组学的费用更低，研究人员可以通过代谢组学研究筛检出代谢产物，然后采用更昂贵的基因组学和蛋白质组学的方法对有意义的代谢产物进一步加以研究。首先，必须识别出代谢产物，这并不是简单的工作。Siuzak博士认为，代谢组学研究最大的挑战就在于对代谢产物的识别，这也是最有趣的方面，而更具挑战性的工作，是进一步确认所有代谢物的功能。此外，质谱分析发现，代谢产物的同质性不高，由于缺乏均匀性，使色谱分析变得更加困难，无法识别出样品中的未知物质。

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