代謝組學/代謝組學入門
在生物學和生物化學領域，存在著許多功能層次。有基因組，它是細胞運作的基礎藍圖。從基因組中產生蛋白質組；細胞和生物體的工廠、構建塊和主力軍。但這些都不足以真正理解生物系統的運作方式。
細胞和生物體中包含的不僅僅是蛋白質和 DNA。代謝物是有機化學化合物，它們要麼啟動生物學中的反應，要麼作為中間體，在代謝途徑中改變或被整合到每個反應中。這些化合物及其在整個細胞或物種中相互作用的總和就是代謝組。傳統上，代謝是我們理解代謝組的方式。它是透過還原論方法在小規模途徑中進行測量的。其理念是，部分的總和可以用來真正理解整體。但代謝組不能有效地透過部分的總和來找到，尤其是在系統生物學和代謝工程的背景下。
像表型組學（研究細胞表達的表型集合）和營養基因組學（研究營養與基因功能之間關係的新學科）等更高級別，在很大程度上依賴於以大規模方式理解代謝組。
代謝組學是解決這個問題的方案。一種全面、系統生物學意識的方法，用於全面理解代謝組。代謝組學試圖避免還原論，並對細胞中的代謝水平應用高通量分析方法。它將徹底改變代謝工程等領域，並極大地提高我們對生物功能的認識。
介紹: 代謝組學
代謝組學到底是什麼？
Roessner U, Bowne J. BioTechniques Special Issue (2009) 46:363–365
審稿人: Arooj I
- Ute Roessner 和 Jairus Bowne 撰寫的“代謝組學到底是什麼？”的主要關注點是描述各種技術（途徑對映、代謝物指紋圖譜、比較重疊等等），這些技術發展了代謝組學，以更好地瞭解生物體在環境中的組織和作用。研究中使用了四種物種來確定代謝物譜。這些物種是：苔蘚 Physcomitrella patens、模式植物擬南芥、作物植物大麥和普通小麥。這些比較是使用諸如聚類分析、DiMS 和目標分析等技術進行的。
- 新術語 1
- 多變數方法: 這是一種基於多元統計的統計方法。多元統計是對一個時間點多個統計變數的統計分析。此技術可用於檢測貿易研究中所有變數的影響。
- 新術語 2
- 遺傳擾動: 這是對物理系統的一點微小變化。在遺傳擾動中，生物變化，例如生物體中的突變。 http://www.ask.com/web?q=dictionary%3A+perturbation&content=ahdict%7C61997&o=10616&l=dir
- 新術語 3
- 代謝組: 代謝組是生物樣本（例如單個生物體）中發現的代謝中間體、激素和其他訊號分子以及次級代謝物等所有小分子代謝物的完整集合。
- 新術語 4
- 轉錄組學: 這是對轉錄組的研究。轉錄組是在任何特定時間點由基因組產生的完整 RNA 轉錄本集合。 http://www.ask.com/bar?q=What+is+Transcriptomics&page=1&qsrc=2417&dm=all&ab=0&u=http%3A%2F%2Fgenome.wellcome.ac.uk%2Fdoc_WTD020758.html&sg=M6I18%2Fh0XH0FoWssUi2tSOVf6%2FiU%2Fnjmbi36hiDRfOM%3D&tsp=1265598042743
- 新術語 5
- 目標分析: 此分析涉及使用一種特定的分析技術來確定和量化一小組已知代謝物。 http://www.jointcommission.org/NR/rdonlyres/2B5D26DA-6BD1-48FD-A7FA-F9BBCBA49A9D/0/ORYX_Target_Analysis.pdf
- 新術語 6
- 代謝物指紋圖譜: 生成目標樣本的質量譜，然後在大型樣本人群中進行比較，以篩選樣本之間的差異。 http://www.biotechniques.com/multimedia/archive/00044/BTN_A_000113133_O_44653a.pdf
- 新術語 7
- 直接進樣電噴霧質譜 (DiMS): 在此技術中，亞種的粗提物被取出並直接注射到質譜儀中以獲得質量譜。然後可以使用這些質量譜來研究一類亞種之間的代謝物差異。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC92589/
- 新術語 8
- 層次聚類分析: 這是一種聚類分析技術，它按層次順序排列聚類。層次排列的兩個主要類別是凝聚和分裂。聚類分析是將一組觀察結果分配到聚類中，其中觀察結果之間具有一定的相關性。 http://www.statistics.com/resources/glossary/h/hclusteran.php, http://www.clustan.com/hierarchical_cluster_analysis.html
在過去二十年中，代謝組學在對許多不同生物體的測序方面取得了巨大進展，並在開發用於研究不同細胞產物的分析方法方面投入了大量資金。這些“組學”方法，例如轉錄組學、代謝組學等，對於研究生物體對環境的反應至關重要。代謝組學有助於理解生物體的生理狀態。代謝物是代謝組學的語言。目前僅採用了少數技術，例如結合色譜技術的質譜法和核磁共振法來分析這些代謝物。由於代謝組的複雜性，很難用單一技術進行分析。因此，必須建立多種方法來提取資訊並將其解釋為生物學背景。透過聚類分析、通路對映等方法可以實現檢測、定量和鑑定。
代謝組學研究中的一種應用是目標分析，它有助於確定和定量少數已知代謝物。另一種應用是代謝物譜分析，它使用氣相色譜-質譜法等重要工具分析大量化合物。代謝組學有助於儘可能多地定量代謝物，而代謝指紋圖譜有助於區分這些樣本。
代謝組學的大多數研究都基於系統發育樹的構建。初級代謝物用於確定營養和生長狀態。次級代謝物作為分類和系統發育的標記。直接注入電噴霧質譜法是確定不同真菌物種非常有用的工具。與表型樹相比，超過 80% 的物種可以根據其質量譜進行分類。確定植物對非生物脅迫的適應和耐受機制表明，許多反應是植物特異性的，或者是在脅迫和/或植物之間共有的。
一項使用代謝組學技術比較四種不同物種代謝物水平的研究表明，這些物種的代謝物譜差異很大。此類分類表明代謝組學是生物體識別和分類的重要工具。代謝組學研究對生命的基本原理及其進化非常有幫助。代謝組學的缺點可能是它只測量生物系統中一小部分元素。未來，代謝組學的研究，例如不同生物體對不同環境的遺傳、轉錄、蛋白質和代謝水平的反應，將加強我們對不同生命系統中生物學框架的認識。它還有助於我們瞭解生物體在自然界中的功能、組織和作用。
與傳統代謝課程的相關性
[edit | edit source]代謝課程向學生講解生物體中發生的化學反應，例如檸檬酸迴圈、糖酵解和糖異生。透過閱讀本文，發現代謝組學是對生物體在日常生活中進行的細胞過程留下的化學足跡的研究。文章中描述了代謝組學所使用的各種技術，對這些足跡進行統計分析。文章中認為這些足跡被稱為代謝物。這些代謝物在種類的亞種中使用代謝指紋圖譜、DiMS 和層次聚類分析等技術進行研究。這些技術大多是新的分析方法，使生物化學家能夠擴充套件其代謝研究目標。
網路資源：代謝組學概述
[edit | edit source]代謝組學概述
Barrett D. 代謝組學介紹 Powerpoint 檔案。諾丁漢大學藥學院分析生物科學中心。
審閱者：Steve S.
主要關注點
[edit | edit source]代謝組學基本原理的概述。作為該領域各種實驗和分析技術的入門介紹。
新術語
[edit | edit source]- 基因組學
- 對生物體整個基因組的研究。重點是對生物體的整個基因組進行測序和分析。（來源：http://epa.gov/osa/spc/pdfs/genomics.pdf）
- 轉錄組學
- 對基因轉錄本的研究。該科學涉及對從 DNA 產生的所有型別的 RNA 進行研究，包括 mRNA、rRNA、tRNA 和非編碼 RNA。轉錄本可以來自單個細胞或整個細胞群。（來源：http://www.systemsbiology.nl/datgen/transcriptomics/transcriptomics.html）
- 蛋白質組學
- 對生物體、細胞群或單個細胞的最終蛋白質產物的研究。使用各種技術來分離、識別和研究蛋白質組中的蛋白質。（來源：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9740045）
- 代謝組學
- 一個關於生物體為了滿足其各種需求而發生的各種產物和反應的研究領域。包括對代謝物和代謝途徑的研究。與蛋白質組學領域密切相關。（來源：http://www.bmrb.wisc.edu/metabolomics/）
- 代謝物
- 代謝過程中涉及的產物以及中間分子。（來源：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1904337/?tool=pubmed）
- 代謝途徑
- 細胞內的化學反應組。透過一系列中間步驟，代謝途徑提供所需的代謝產物。（來源：http://www2.ufp.pt/~pedros/bq/integration.htm）
- 色譜法
- 各種實驗室技術，涉及分離混合物的組分。包括吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、排阻色譜和親和色譜技術。（來源：http://www.iupac.org/publications/pac/1993/pdf/6504x0819.pdf）
- 核磁共振分析
- 對透過測量核磁共振獲得的資料進行分析。核磁共振是當分子中某些原子核暴露於靜磁場時會獲得的一種現象。這種效應只在具有自旋屬性的原子核中觀察到。透過分析核磁共振水平，可以獲得有關樣品成分的資訊。（來源：http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/inside.htm）
- 代謝指紋圖譜
- 代謝指紋圖譜是細胞在特定條件下的生化反應的瞬時測量。透過觀察代謝組在不同條件下的變化，可以在典型症狀出現之前診斷出這些條件。（來源：http://dbkgroup.org/dave_files/Pharmacogenomics.pdf）
- 質譜法
- 透過將分子分解成組成離子來確定分子的化學性質。然後根據這些離子的質量和電荷進行分離。質譜法的輸出是特定質量/電荷的離子的計數。（來源：http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/MassSpec/masspec1.htm）
摘要
[edit | edit source]生物學可以被看作是四個相互關聯的層次上的資訊處理。每個資訊層次都有一個相關研究領域。資訊流從 DNA 開始，到 RNA，到蛋白質，最後到代謝物。這些分別作為基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學研究領域。代謝途徑是相互關聯的一組化學反應。這些途徑很複雜，難以研究。然而，從代謝組學和代謝物研究中可以獲得很多益處。許多代謝物是高度保守的分子。這意味著對一個生物體的研究通常可以產生適用於多種生物體的結果。代謝組可以顯示遺傳和環境影響。這使得代謝診斷具有強大的力量，因為無論疾病的來源是什麼，它都可以被檢測到。代謝物可以透過多種技術進行分析和測量。主要技術包括質譜法、核磁共振分析和色譜法。代謝組可以從四個層次進行觀察。從最具體到最不具體，它們分別是：代謝物目標分析 - 測量單個代謝物的特定量；代謝物譜分析 - 觀察相關化合物組的丰度；代謝組學 - 對細胞中所有代謝物的研究；代謝指紋圖譜 - 將代謝組簡單地分類為重要類別。研究代謝組存在很多困難因素。代謝組不是處理特定位點的靜態資訊，例如遺傳學 - 由 4 個鹼基對組成，或蛋白質 - 由 20 個氨基酸組成。相反，代謝涉及成千上萬個不同分子的相互作用，並持續一段時間。代謝組測量的產物濃度範圍可以從納摩爾到微摩爾。代謝組分析資料需要進一步分析才能解釋。這兩種主要形式的分析分別是主成分分析。儘管存在這些缺點，但該分析帶來的益處使其成為一個富有成效的研究領域。
與傳統代謝課程的相關性
[edit | edit source]本文件是一個 PowerPoint 簡報，它提供了一個關於代謝組學的概述。它很好地作為一個對代謝組學可用技術以及這些技術背後的目的、優勢和劣勢的廣泛介紹。文章簡要概述了代謝物的作用及其在代謝途徑中的位置——這主要是作為回顧呈現的，但對於已經熟悉這些概念的人來說是最有幫助的。本文件適合提供概述或進行廣泛回顧，它不會深入探討任何特定主題。