代谢组学:未来新方向
时间:2017-12-07

  代谢组学:未来的新方向 - 新闻 - 科学网

  加拿大艾伯塔大学生命科学和计算科学教授大卫·威斯特(David Wishart)说,我们自己实际上是一大群生物化学反应,基因组和蛋白质组学演化来支持代谢物,反之亦然。 Wishart说,与其他组学方法不同,代谢组学为检测生理状况提供了更直接的方法。代谢物比转录组或蛋白质组更快地响应营养,压力或疾病状态。这使得代谢物在环境毒理学,进化与发育,疾病诊治反馈以及药物,农药和除草剂的研究开发等许多领域都非常流行。代谢流测定法帮助合成生物学家揭示遗传变化如何影响途径和产物。

  作为组学中最年轻的成员,代谢组学正在获得动力。 2014年,国际代谢组学会主办了第十届年会,与第一次会议在同一个城市举办:日本鹤岗。第一年,我们约有150人参加。墨尔本大学助理教授,澳大利亚代谢研究所主任Ute Roessner说,今年我们有超过500名注册参与者,代谢组学已经成为每个研究人员研究工具的一部分。现在年轻的研究人员定期将代谢组学作为他们的博士学位的一部分。工作。

  代谢组学是根植于其优势的最重要的挑战。代谢组数据是非常强大的,因为生物体有许多代谢物,包括相关的前体,衍生物和一定浓度的降解产物,所有这些都是极其多样化和快速变化的。这种复杂性需要复杂的分离和检测方法。代谢组学包括脂质分析,这是一个潜在的增长领域,赛默飞世尔科技公司战略营销经理黄莹莹说:脂质组学和心血管疾病,癌症,糖尿病和肥胖症是直接相关的。然而,体内脂质的结构和浓度是非常多样的,可以达到10倍的变化。许多生理脂质和其他代谢物具有不同的化学组成,仅有不同的排列方式。因此,加州大学戴维斯分校(University of California,Davis)教授,西海岸代谢组学研究中心主任奥利弗·费恩(Oliver Fiehn)把代谢组学称为异构体科学。

  仪器决策树

  对代谢组学的兴趣日益增长导致分子分离和检测仪器的制造商开发了代谢组学的各种硬件,软件和技术支持。当研究人员需要将这些技术带入实验室时,他们将面临复杂的决策树。第一个分支是非目标或目标分析。非目标方法汇总所有可能组件的数据。靶向分析侧重于已知组分,通常在量化变化中,例如在压力和疾病反应期间。

  核磁共振光谱法(NMR)对靶向测定法特别有效,因为它是定量的,可再现的并且适用于检测诸如血液,尿液或少量组织提取物的复杂样品,几乎不处理。芬兰奥卢大学分子流行病学负责人Peter W rtz最近合着了一篇文章,他使用Brock的仪器将核磁共振代谢组学应用到爱沙尼亚和芬兰的数千个生物银行样本中,发现了四个生物标志物: Wrtz指出,这项研究是观察性的,并没有探索其机制,但证明了核磁共振在生物标志物分析中的作用,然而,用NMR进行代谢组学分析也有局限性因为它比更受欢迎的代谢组学质谱法(MS)敏感性低几个数量级。

  质谱法需要样品处理。这些组件通常需要电离和分离。最常用的方法是气相色谱(GC)和液相色谱(LC)。毛细管电泳(CE)很好地分离极性代谢物,可用于与单细胞相同大小的样品。毛细管电泳质谱是人类代谢组学技术集团(HMT)的特色产品,也可以从安捷伦和iBT等公司获得。但是,毛细管电泳需要专门的操作人员和强大的软件来分析迁移过程中的漂移,安捷伦代谢组学项目项目经理Theodore Sana说。

  毛细管电泳与质谱联用的功能在于分辨容易挥发或可被衍生物挥发的物质,例如作为主要向心代谢物的小分子。然而,LC / MS特别适用于大的,热不稳定的有机分子,包括许多次级代谢产物,较大的碳水化合物和脂质。诸如超高效液相色谱法(UPLC,最初由沃特世公司开发),超临界流体色谱法和离子转运分离等的一些进步具有增加的速度和分离能力,包括非极性分子和具有多种异构体或异位体的组分(例如脂质)。分离方法耦合到质谱仪,如TOF质量分析仪,可快速高分辨率地分辨大质量范围的分子。添加四级或线性离子阱可以选择在电离过程中产生的特定成分或组分片段。一旦研究人员完成了代谢组学特征的分类,他们可以决定是购买仪器还是将样品送到服务部门。

  供应和服务供应商的选择

  安捷伦提供GC / MS,LC / MS / MS和NMR仪器。萨那说:作为提供所有这些技术的单一供应商,包括硬件,软件和技术支持,我们拥有不可替代的地理位置。 (Shimadzu还提供了研究人员推荐的各种系统作为便宜的原始设备。)用户称赞安捷伦提供的直观软件,萨那确认这确实是公司的优先事项。例如,使用安捷伦的GeneSpring Mass Pro软件对多个组学数据进行整合分析,根据Sana的说法,GeneSpring可以使用完全不同的RNA,蛋白质和代谢物得到的数据,并在生物学途径上进行动态映射,就像KEGG是一种代谢途径工具,GeneSpring还支持来自其他供应商平台的预处理数据,例如电子表格。使用通路工具可视化大量实验的结果对于收集生物学见解和计划下一个实验非常有用,萨那说。

  Therapeutics公司的研究人员重视MS / MS,重视快速数据采集,出色的动态范围和定量精确的质量能力(通常定义为百万分之五十或更低的准确度)。该公司还提供毛细管电泳和离子转运选项。对于代谢组学,ABP建议使用三重TOF和QTrap系统。该公司高级营销经理Fadi Abdi说,我们的三重TOF是一种高分辨率,精确的定性和定量分析质谱仪,适用于代谢组学的发展。 Qtrap专为需要灵敏度,定位和量化的工作流程而设计。 Abdi解释说,为了识别,验证和量化产品,TOF系列的三重采集速度使得质谱和串联质谱分析能够在一次注射液相的同时进行。 Qtrap的多重反应检测器提供了来自父系化合物的数据,并通过质谱分析生成了随后的片段,以简化数据处理过程,并为研究人员提供了对其数据的信心。“代谢组学与脂质组学应用研究组的研究员Baljit Ubhi说。

  那些寻求广泛的代谢物覆盖范围的客户可以考虑使用阿诺德公司的高分辨率LC-MS系统和Power高分辨率GC / MS系统的包装组合,这种合作伙伴关系为客户提供了两全其美的解决方案。 ,PowerMarkets营销总监Jeff Patrick说,该软件包包括来自Genedata的软件,整合来自两个平台的数据以提供强大的代谢组学分析。

  另一种流行的多功能MS / MS选择是Thermo Fisher Scientific的基于轨道阱的仪器,陷阱捕集质谱仪通常用于蛋白质组学,但是它们的高分离能力特别适合于代谢组学分析, UPLC,Huang表示,并行检测消除了多个样品的需求,以加速多次运行Thermo Fisher Scientific产品线上的最新系统是具有三个质谱仪的Orbitrap Fusion三重混合系统,液相分离后,样品通过四极杆样品进行过滤,并在后续的轨道捕获器和线性离子阱中进行可能的并行分析。黄英英表示,三混合系统旨在为研究人员提供质谱性能的灵活性和准确性。

  Thermo Fisher Scientific,Abcam和Brook还提供MS成像设备,也称为MALDI成像。 Roessner解释说,这种方法克服了代谢组学的限制之一:代谢物分析通常只在均质的样品或提取物上进行,但是这些特定的细胞和组织具有不同的代谢物特征。质谱成像提供了薄组织(例如,来自器官或植物组织)的代谢物的空间分布。该过程是在使用质谱分析之前使用激光解吸来电离基质处理的样品。组分的二维图像的重建提供了组织间代谢物的定位。

  Roessner在这项技术中使用了布鲁克系统,他说虽然它还处于起步阶段,但这是一个令人兴奋的方法。它可用于观察肺样品中药物相关代谢物的分布,或追踪环境刺激后组织中代谢物分布的变化。 Thermo Fisher Scientific orbitrap系统在这种方法中具有优势。黄英英说:由于离子是组织来源的,不会发生液相分离,所以需要一个超高分辨率的仪器,如轨道阱。

  对于不打算购买系统或倾向于更加面向服务的研究人员,他们也有很多选择。 Biocrates和Metabolon在全球范围内提供质谱代谢组学服务。 Metabolon还参与了Craig Venter的人类生活项目等大型长期合作伙伴关系,Metabolon公司销售和市场营销高级副总裁Chris Bernard在一次关于代谢组学实践和如何使用的会议上说。它适用于Metabolon的一系列重要项目。

  核磁共振代谢组学提供的优点是不能实际量化标准曲线,允许保留样品,允许最少的样品操作,并且在单一反应中检测具有结构信息的所有代谢物。但科学家对其的兴趣可能会受到安装成本的限制,研究人员可以通过服务提供商(如Chenomx)来访问这个方法,Wrtz和他的同事们还通过Brainshake提供NMR代谢组学服务和合作,这是基于他们在生物标志物研究方面的经验利用核磁共振将代谢组学数据与全基因组关联研究结合起来,将遗传变异与疾病风险联系起来。

  通过州和学术中心的设施,代谢组学服务正在快速增长。在澳大利亚,Roessner属于由政府资助的第一批国家资助的代谢组学服务。加拿大也资助了国家代谢组项目,其他国家也在跟进这方面的工作。在美国,国立卫生研究院(NIH)共同基金早在2012年就开始建立一个地区代谢组学中心。负责西海岸项目的Fiehn说:“这些中心提高了为学术界和工业界服务的代谢组学能力,它们具有不同的特性,如肯塔基州的Metstream平台和北卡罗莱纳州的核磁共振平台,NIH中央平台为首次使用代谢组学的科学家提供短期课程。

  下一个挑战

  当被问到代谢组学面临的主要挑战时,研究人员和供应商一致认为有三件事:未知物的鉴定;以及开发用于查询的标准数据集,就像GenBank的基因组资源,代谢组学和其他全系统数据集成一样。

  质谱太敏感,所以我们得到很多的问题,但不知道它们是什么。 Wishart说。为帮助研究人员鉴定代谢物,安捷伦开发了用于代谢物鉴定的MS-MS和MS-MS数据库。 PowerCorp提供了GC-TOF数据库,Patrick表示可以用于任何气相色谱数据,尽管数据库针对PowerPC仪器进行了优化。 PowerCare目前正在探索与高分辨率,精确质谱库合作的机会。

  Wishart认识到最不为人知的是代谢产物中的代谢产物:分解产物和从酶转化而来的分子或具有微生物活性的分子。这些分子的相似性是鉴定它们的关键因素。 Fiehn团队已经开发了许多商业质谱库,并正在开发虚拟图书馆。研究人员可以根据已知化合物的光谱预测相似或修饰变体的光谱。 LipidBlast是由Fiehn团队开发的串联质谱虚拟库,可免费下载超过20万种脂质。

  为了应对数据合并和可搜索性带来的挑战,Metabolom社区采取了一系列措施来促进数据存储库的创建。例如,英国的Metabolights得到了欧洲代谢组学协调委员会(COSMOS)的支持,该组织已经制定了代谢组学数据标准。还有代谢组学工作台,这是一个平台,旨在创建由国立卫生研究院资助的代谢组学项目数据库。赛默飞世尔科技与Fiehn合作推出mzcloud.org网站,提供免费的社区数据库,其中包含未知组分的实时和虚拟谱图,并在资格认证时进行注释。

  即使在代谢组学界拥有储存数据的数据库之后,帕特里克仍然意识到,鉴于大量数据的背景和重要性,系统生物学的主要挑战是生物干扰。他认为解决问题的办法是软件,这是推动代谢组学的方向。伯纳德同意说,Metabolon客户的主要需求是帮助他们了解结果的生物学意义。质谱法很适合生成数据。面临的挑战是将信号与噪声分开:85%的MS数据点是嘈杂的。 Bernard补充说,Metabolon的客户可以访问MetaboLync门户网站,该门户网站包含样本中的代谢物列表,与14,000多个组分的本地库相比,可自动识别代谢物。此外,门户最强大的功能是能够在通路层面上可视化和探索数据。

  随着该领域的不断发展,仪器供应商和服务提供商都迫切希望与用户就其代谢组学研究进行合作和讨论,不仅在购买和销售关系方面,而且与当前的发展紧密相关。我们正在与一些研究人员密切合作。萨那说,研究人员往往是推进代谢组学领域的新思路的来源。 ■

  (中国科学院高级海洋生物研究所副研究员之一译者)

  Chris Tachibana是西雅图,美国和丹麦哥本哈根的科学作家。

  致谢本文由美国科学促进会2014年9月19日出版的“科学”(www.aaas.org)出版。官方英文版本可在www.sciencemag.org/site/products/lst_20140919.xhtml上查阅。