第二代基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，將基因組學(xué)的研究推向了高潮。很多生物學(xué)問(wèn)題，“測(cè)個(gè)序”或許就能找到關(guān)鍵性基因。一般的全基因組測(cè)序涵蓋25000個(gè)以上基因，相比起來(lái)，全代謝組學(xué)能夠測(cè)量的代謝物也就1400多個(gè)。雖然數(shù)量少，但是由于代謝物能夠更加直觀反映生物學(xué)表型的特點(diǎn)，過(guò)去20年代謝組學(xué)可以說(shuō)是越來(lái)越火。
小編將給大家分享代謝組學(xué)在生物研究的應(yīng)用該注意的方方面面。這些內(nèi)容對(duì)于想要了解，或者在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用質(zhì)譜分析代謝組學(xué)的磚工們有很大借鑒意義。
一、基本研究方法
從代謝物的覆蓋程度上分，代謝組學(xué)可以分為兩種：全代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。
全代謝組學(xué)，顧名思義，就是把所有的代謝物都檢測(cè)一遍；而靶向代謝組學(xué)，就會(huì)更有重點(diǎn)的看某些代謝通路，比如三羧酸循環(huán)、糖酵解等。對(duì)此，方教授建議，雖然全代謝組學(xué)的覆蓋面更廣，但是靈敏度不夠；如果有一些實(shí)驗(yàn)或者文獻(xiàn)的線索，還是看靶向的代謝組學(xué)比較好。
此外，這幾年脂質(zhì)代謝組學(xué)也有一些發(fā)展，屬于新興領(lǐng)域。由于脂質(zhì)的理化特性和多數(shù)代謝物不同，脂質(zhì)代謝組學(xué)需要用普通代謝組學(xué)不同的分離方法。
代謝組學(xué)的工作流程如下：
首先是提取“用藥組”和“對(duì)照組”的樣品，之后氣相質(zhì)譜（GC-MS）或者液相質(zhì)譜（LC-MS）來(lái)獲取數(shù)據(jù)，核磁共振（MRI）使用相對(duì)比較少。
數(shù)據(jù)的分析是代謝組學(xué)中非常重要的部分，需要調(diào)整很多參數(shù)，再用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來(lái)確定到底哪些代謝物發(fā)生了變化。重要的信息包括：Retentiontime；accuratemass等。然后將變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行代謝組通路分析，一般用KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)。同樣的，這些數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)在脂質(zhì)代謝的相關(guān)信息還很少。
二、學(xué)術(shù)研究舉例
雖然大家之前對(duì)代謝組學(xué)來(lái)發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)記物等寄予厚望，但是現(xiàn)實(shí)還是比較殘酷的。因?yàn)榇x物相對(duì)疾病的特異性不夠強(qiáng)，很多病因可能會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)代謝物的變化，所以很難通過(guò)一個(gè)代謝物來(lái)判斷是否得了某個(gè)疾病?，F(xiàn)在有些通過(guò)一組代謝物變化來(lái)進(jìn)行判斷的模型，但是還沒(méi)有看到臨床應(yīng)用的。
那么學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)在哪些方向呢？
比較有意思的一個(gè)概念是metabolicregulation，講的是代謝物調(diào)控基因表達(dá)。
以往都認(rèn)為是基因調(diào)控酶的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控代謝。最新的一些研究發(fā)現(xiàn)，某些代謝物在細(xì)胞里的含量，會(huì)影響細(xì)胞的基因表達(dá)，甚至細(xì)胞命運(yùn)。這是相互影響的過(guò)程，是雙向的。
舉例說(shuō)，去年Cell的這篇文章，就發(fā)現(xiàn)免疫T細(xì)胞在分化過(guò)程中，精氨酸的含量發(fā)生了很大變化。改變精氨酸的濃度，能夠改變T細(xì)胞的命運(yùn)。
又比如，Science上發(fā)過(guò)哈佛和MIT做的一個(gè)研究，對(duì)60個(gè)腫瘤細(xì)胞系做了代謝譜，發(fā)現(xiàn)癌癥中的甘氨酸的含量能夠反映腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)速度，并且合成甘氨酸的酶表達(dá)量高的乳腺癌病人預(yù)后較差。
另一個(gè)方向是做“精準(zhǔn)醫(yī)療”。
不同病人，同時(shí)吃一種藥，有些人效果好，有些人效果不好，為什么？是不是能夠通過(guò)分析血液樣品的代謝組學(xué)來(lái)對(duì)病人的藥物敏感度提前做出預(yù)測(cè)。這一領(lǐng)域現(xiàn)在基因測(cè)序比較多，代謝組學(xué)做的還相對(duì)比較少。當(dāng)然，對(duì)于代謝組學(xué)最終是否能夠起到這樣的作用，也有一些爭(zhēng)議。
最后提到的學(xué)術(shù)研究方向，通過(guò)新的研究手段，重新書(shū)寫(xiě)一些生化理念。
以往有很多概念，是經(jīng)驗(yàn)積累，因?yàn)榧夹g(shù)條件的限制沒(méi)有辦法檢測(cè)。而現(xiàn)在的技術(shù)能夠重新分析和研究這些問(wèn)題。
比如，Nature上去年發(fā)了一篇文章，通過(guò)非放射性同位素標(biāo)記法，發(fā)現(xiàn)葡萄糖通過(guò)無(wú)氧糖酵解產(chǎn)生的乳酸能夠繼續(xù)回到三羧酸循環(huán)TCA，為機(jī)體產(chǎn)生能量。這一部分研究未來(lái)應(yīng)該還有大的發(fā)展。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
一個(gè)做生物學(xué)研究的同學(xué)，如果希望用代謝組學(xué)來(lái)得到一些數(shù)據(jù)該注意些什么呢？
首先，要弄清楚你研究的這個(gè)生物學(xué)問(wèn)題，代謝組學(xué)能不能解答一些問(wèn)題，也就是到底需不需要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
有一些情況下代謝組學(xué)的變化不會(huì)特別大，可能觀察不到變化，那就浪費(fèi)了時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)變化比較大的是代謝病和腫瘤。近些年在免疫反應(yīng)、干細(xì)胞、表觀遺傳學(xué)方向上運(yùn)用比較多，但是每一個(gè)課題研究者都需要對(duì)研究對(duì)象有深入的了解，再通過(guò)代謝組學(xué)來(lái)研究具體問(wèn)題。
其次，如果確定需要做了，要在實(shí)驗(yàn)前和技術(shù)部門(mén)進(jìn)行溝通，了解樣品處理的每一個(gè)步驟，保證不出錯(cuò)。
比如很多代謝物不穩(wěn)定，樣品收集過(guò)程一定要低溫；要多少細(xì)胞、組織才有足夠的樣品量，樣品量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致很多代謝物無(wú)法被檢測(cè)到；要設(shè)計(jì)好對(duì)照組，這樣才能有可靠的對(duì)比；還有樣品具體該收集多少個(gè)重復(fù)組；到底想分析普通代謝組還是脂質(zhì)代謝組等等。
再次，最好能找有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家進(jìn)行討論來(lái)設(shè)計(jì)具體怎么看代謝物變化。我們建議先看看大體的變化，之后在著眼到一個(gè)通路上的。
如果是做非放射性同位素標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)，就有更多要注意的：同位素標(biāo)記位點(diǎn)的選擇、樣本采集的時(shí)間點(diǎn)都很重要。一般需要做預(yù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定在某個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中代謝物轉(zhuǎn)化需要的時(shí)間。這一類(lèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備要求比較高，也比較昂貴，實(shí)驗(yàn)前要詳細(xì)論證。
最后一點(diǎn)，盡管是“組學(xué)”的數(shù)據(jù)，研究員還是需要有比較明確的“假設(shè)”，即hypothesis。因?yàn)樽兓拇x物很多，到底哪個(gè)代謝物的變化是最關(guān)鍵的，可能還是需要實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)閱讀來(lái)縮小范圍。
四、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景
代謝組學(xué)的工業(yè)化應(yīng)用，目前為止沒(méi)看到大的市場(chǎng)?，F(xiàn)有的一些公司，主要是給高校、研究所做服務(wù)。
有一些在研發(fā)中的應(yīng)用：
1.臨床上尋找生物標(biāo)記物。雖然現(xiàn)在沒(méi)有被批準(zhǔn)的用質(zhì)譜檢測(cè)生物標(biāo)記物的方法，但是后續(xù)如果研發(fā)出靠譜的生物標(biāo)記物，市場(chǎng)會(huì)很可觀。因?yàn)橄啾扔诜€(wěn)定的基因組學(xué)，代謝組學(xué)是不斷變化的，一個(gè)病人可能在疾病不同階段需要進(jìn)行多次檢測(cè)。
2.醫(yī)療上可能取代一些酶聯(lián)免疫標(biāo)記實(shí)驗(yàn)（ELISA），因?yàn)橘|(zhì)譜的特異性會(huì)更高。有希望開(kāi)發(fā)出一些常規(guī)的檢測(cè)項(xiàng)目，比如呼氣診斷肺癌。
3.給富裕人群制定具體的營(yíng)養(yǎng)學(xué)方案。代謝組學(xué)可以檢測(cè)出體內(nèi)缺什么營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而知道需要通過(guò)什么樣的膳食結(jié)構(gòu)來(lái)改善健康。
4.藥物代謝組學(xué)。像之前提過(guò)的，通過(guò)代謝物變化來(lái)知道個(gè)人體內(nèi)哪些酶活性高，從而預(yù)測(cè)藥物在個(gè)體病人身上的效果、副作用等。
五、領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)挑戰(zhàn)
代謝組學(xué)應(yīng)用的局限，很大程度來(lái)自于領(lǐng)域內(nèi)一些技術(shù)瓶頸：
1.代謝物的覆蓋度有限。一是不同代謝物理化性質(zhì)差異很大，沒(méi)辦法都能夠提取出來(lái)檢測(cè)；二是一些代謝物質(zhì)譜的方法不容易檢測(cè)到；三是一些代謝物含量太低，所以檢測(cè)不到。
2.如何確定是哪個(gè)代謝物的變化?，F(xiàn)在還有很多代謝物沒(méi)辦法確定結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)就沒(méi)用了。
3.不能做到高通量?，F(xiàn)在的方法一個(gè)樣品要跑半個(gè)小時(shí)，有時(shí)候?yàn)榱烁采w度好還要多跑幾遍，考慮到重復(fù)組和對(duì)照組，工作量就很大了。
4.代謝組的數(shù)據(jù)分析不容易，現(xiàn)在還需要有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)門(mén)的分析員來(lái)做。未來(lái)希望能夠有簡(jiǎn)單的工具給各個(gè)方向的研究員使用，但是暫時(shí)還沒(méi)有。
5.數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。生物體內(nèi)能夠干擾代謝物組成的變化很多，所以做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候要設(shè)計(jì)好控制對(duì)照，保證同樣的條件，否則溫度、時(shí)間等因素對(duì)結(jié)果的影響都很大。
6.已知的代謝網(wǎng)絡(luò)還是有限的，有一些可能有意義的變化會(huì)因?yàn)樵诜治鰰r(shí)被忽略。
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