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代谢组学:将来新标的目的(What's next in 'omics:

发布时间:2017/11/30 00:00

PHOTO: DREAM DESIGNS/LYRICSAIMA/SHUTTERSTOCKCOM

  加拿大阿伯特大学生命科学与计较科学传授David Wishart说,我们本身实在就是一大组生化反映,“是以,基因组和卵白质组不竭进化来撑持代谢组,而不是相反的路径。” Wishart说,有别于其他组学方式,代谢组学供给了一种加倍直接的心理状况检测体例。代谢组反映营养、勒迫或疾病状况的速度比转录组或卵白质组要快很多。这使得代谢组在很多范畴都很是吃喷鼻,如情况毒理学、进化和发育、疾病诊断与医治反馈、和药物、杀虫剂和除草剂的研发等。代谢组活动检测帮忙合成生物学家揭露遗传改变若何影响通路和产品。

  作为组学家族最年青的成员,代谢组学成长势头正劲。2014年,国际代谢组学学会主办了他们的第10次年会,与初次会议是统一座城市:日本鹤岗市。“第一年,我们有大约150人参会。”墨尔本大学助理传授、该校的澳大利亚代谢组分液相色谱-质谱联用仪站负责人Ute Roessner说,“本年我们有跨越500名注册参会人。并且代谢组学已成了每位研究者研究东西的一部门。此刻,年青的研究者按期展开代谢组学工作,作为他们博士工作的一部门。”

  代谢组学最首要的挑战根植于它的长处。代谢组数据很壮大,由于生物体具有很多的代谢物,包罗相干的前体、衍生物和具有必然浓度的降解产品,它们都极具多样性且转变敏捷。这类复杂性需要精巧的分手和检测方式。代谢组学包罗了脂类阐发,这是一个极具潜力的成长范畴,赛默飞世尔科技公司策略市场部司理黄盈盈(音译)说:“脂质组学与血汗管疾病、癌症、糖尿病和肥胖症直接相干。但是脂质在体内的布局和浓度极具多样性,能到达10倍的变异。”很多心理脂类和其他代谢物同享一种化学构成,仅仅在摆列上具有不同。是以,加州大学戴维斯分校传授、西海岸代谢组学中间主任Oliver Fiehn将代谢组学称为“异构体科学”。

  仪器的决议计划树

  人们对代谢组学的乐趣不竭增加,促使份子分手和检测仪器的制造商研发出各类针对代谢组学的硬件、软件和手艺支持。当研究职员需要将这些手艺带进尝试室时,他们面对着复杂的决议计划树。第一个分支就长短靶向仍是靶向的阐发。非靶向方式在所有可能的组分上堆积数据。靶向阐发则聚焦于已知的组分,常常是数目上的转变,例如在勒迫和疾病的反映进程中。

  核磁共振光谱学(NMR)对靶向阐发来讲尤其壮大,由于它可定量、可反复,合适于检测复杂样品如血液、尿液或仅需少许或不颠末处置的少许组织提取物。芬兰奥卢大学份子风行病学负责人Peter Würtz比来作为配合作者颁发了一篇文章,该项工作操纵布鲁克公司的仪器,将NMR代谢组学利用于数千个爱沙尼亚和芬兰的生物银行样品中。研究团队找到了四种生物标识表记标帜,当组合在一路时,与各类环境的猝死风险的进步明显相干。Würtz指出,这一研究是不雅测性的,并没有探讨其机制,但却展现了NMR在生物标识表记标帜阐发中的能力。但是,利用NMR的代谢组学阐发也存在局限,由于它的活络性比加倍风行的代谢组学方式“质谱阐发法(MS)”要低好几个数目级。

  质谱需要样品处置。组分凡是需要离子化并颠末分手,最经常使用的方式是气相色谱(GC)和液相色谱(LC)法。毛细管电泳(CE)能很好地分手极性代谢物,可以或许用到与单细胞一般巨细的样品中。毛细管电泳—质谱联用是人类代谢组手艺公司(HMT)的特点产物,而像安捷伦和爱博才情等企业也供给该产物。可是,毛细管电泳手艺需要专业的操纵者和壮大的软件来阐发迁徙时候中的漂动,安捷伦代谢组项目司理Theodore Sana说。

  毛细管电泳—质谱联用手艺的壮大的地方在于解析那些易于挥发或可以或许经由过程衍生物挥发出来的物资,例如原初中间代谢的小份子。而液质联用手艺则出格合用于大的、热不不变的有机份子,包罗很多次生代谢产品、较大的碳水化合物和脂类。一些诸如超高效液相色谱(UPLC,最初由Waters公司研发)、超临界流体色谱和离子迁徙分手法的新进展,进步了速度和分手能力,包括了非极性份子和具有多种异构体或异位体的组分(例如脂类)。分手方式与质谱阐发器偶联起来,例如飞翔时候(TOF)质量阐发器,可以或许快速、高分辩率地解析大质量规模的份子。插手四级或线性离子捕捉器可以选择在离子化进程中发生的特定成份或组分片断。一旦研究者完成了代谢组特征的分类,他们便可以决议是采办仪器仍是将样品送往办事机构。

  供给和办事商的选择

  安捷伦供给有气质联用、液质联用、毛细管质谱联用和NMR等仪器。Sana 说:“作为单个供给商能供给所有这些手艺,包罗了硬件、软件和手艺撑持,我们具有不成替换的位置。”(岛津公司也供给被研究职员保举为便宜的原初装配的多种系统。)用户对安捷伦供给的直不雅软件赐与了好评,Sana证实这确切是公司优先斟酌的工作。举例来讲,安捷伦的GeneSpring —质模专业版软件用于多重组学数据的整合阐发。Sana 说,“GeneSpring可使你采取来历于RNA、卵白质和代谢物完全分歧的数据,并将它们动态地映照在生物通路上,就像KEGG(一种代谢通路东西)那样。” GeneSpring也撑持预处置来自其他厂商平台的数据,例如作为一个电子表格。利用一个通路东西对来历于大量尝试英福康氦质谱检漏仪的成果进行可视化,这对汇集生物学洞察力、打算接下来的尝试来讲十分有效,Sana说。

  爱博才情专注于液质联用质谱仪,研究职员高度评价了该仪器快速的数据获得,出色的动态规模,和定量化和精确的质量能力(凡是界说为百万分之五或更低的精度)。该公司也供给毛细管电泳和离子迁徙的选择。对代谢组学来讲,爱博才情保举三联TOF和QTrap系统。公司高级市场司理Fadi Abdi说,“我们的三联TOF是进行定性定量阐发的高分辩率、切确质谱仪,合适于代谢组学的成长。Qtrap是为要求活络性、靶向性和定量性的工作流程所设计的。”Abdi如许诠释,为了判定、确认和定量产品,三联TOF系列的高获得速度可以在一个液相时候段的单次进样中同时完成质谱和串连质谱阐发。Qtrap的多重反映检测器供给父本化合物的数据和由质谱随后发生的片断,简化数据处置流程并使研究者对他们的数据具有决定信念,爱博才情代谢组和脂质组学利用部分研究员Baljit Ubhi说。

  那些寻觅普遍代谢物笼盖的研究者可以斟酌爱博才情的组合包,融进了爱博才情的高分辩率液质联用系统和力可公司的高分辩率气质联用系统。这一合作为客户供给了“两种手艺的精髓”,力可市场手艺部主任 Jeff Patrick说。组合包中包罗了来历于Genedata公司的软件,可以或许未来源于两个平台的数据整合以供给靠得住的代谢组学阐发。

  另外一种风行的多功能液质联用质谱选择是赛默飞世尔科技公司基于轨道阱(Orbitrap)手艺的仪器。轨道阱质谱阐发仪凡是用于卵白质组,可是在整合了一个高级分手系统(如UPLC)时,它的高分辩率能力特别合用于代谢组学的阐发,黄盈盈说。平行检测消弭了为了加快样品阐发所需的多重运行。赛默飞世尔科技公司产物线上的最新系统是具有三个质谱阐发仪的轨道阱融会三杂交系统。液相分手今后,经由过程四极孔样品过滤,并在随后的轨道阱和线性离子捕捉中进行可能的平行阐发。黄盈盈说,三杂交系统的设计初志是为研究职员供给矫捷性与切确的质谱机能。

  赛默飞世尔科技、爱博才情和布鲁克也供给质谱成像的仪器,这也被称为MALDI成像法。Roessner诠释,这类方式降服了代谢组学的一个局限:代谢物阐发凡是只能在均一化的样品或提取物中进行,可是那些特定的细胞和组织却具有分歧的代谢物特点。质谱成像手艺为一个纤薄的组织切片(例如,来历于一个器官或植物组织中)供给了代谢物空间散布的图象。这一进程是利用激光解吸将矩阵处置的样品进行组分手子化,然后再利用质谱进行阐发。对组分进行二维图象的重建供给了组织间代谢物的定位。

  Roessner在该项手艺中利用了布鲁克系统,他说:“虽然仍在低级阶段,但这是一种使人兴奋的方式。它可以用于不雅察肺部样品中药物相干代谢物的散布,或往追踪情况刺激后,组织中代谢物散布的改变。”赛默飞世尔科技的轨道阱系统在此方式上具有上风,黄盈盈说:“由于离子是来历于组织的,没有颠末液相分手,你需要一种超高分辩率的仪器,就像轨道阱。”

  对不筹算采办系统或偏向于办事所带来的便捷性的研究者来讲,他们也有良多选择。Biocrates公司和Metabolon公司都面向全球供给质谱代谢组学阐发办事。Metabolon公司也浏览大型、持久的合作,例如Craig Venter的人类寿命项目,Metabolon 公司发卖市场高级副总裁Chris Bernard说,在代谢组学若何付诸实践、若何用于一系列项目中的题目上,合尴尬刁难于Metabolon公司而言很主要。

  NMR代谢组学所具有的上风在于欠亨过尺度曲线的真正定量,样品可保存,可实现起码样品的操纵,单次反映就可以检测到所有带有布局信息的代谢物生物质谱。可是科学家对它的乐趣可能会遭到装机本钱的阻碍。研究职员可以经由过程办事商来获得这类方式,例如Chenomx公司。Würtz和他的同事也经由过程Brainshake公司供给NMR代谢组学的办事与合作。这是成立在他们利用NMR进行生物标识表记标帜研究的经验,并将代谢组学数据与全基因组联系关系研究联系起来,该研究将遗传变异和疾病风险联系在一路。

  代谢组学办事机构正在经由过程国度和学术中间举措措施快速增加。在澳大利亚,Roessner属于第一批成立当局帮助的国度代谢组办事平台。加拿大也帮助国度代谢组的项目,其他国度也在这个范畴跟进。在美国,国立卫生研究院(NIH)配合基金早在2012年就起头成立代谢组学的区域中间。负责西海岸项目标Fiehn说:“这些中间进步了代谢组学的能力,可以或许为学术界和财产界办事,并且他们有分歧的特点,例如肯塔基中间的代谢流平台和北卡罗来纳的核磁共振平台。”国立卫生研究院的中间平台也为初度接触代谢组学的科学家供给短时间课程。

  下一步挑战

  当被问到代谢组学面对的重大挑战时,研究职员和供给商一致以为有三点:对未知物的判定;研发出可供查询的尺度数据集,就像GenBank的基因组资本;代谢组学与其他全系统数据的整合。

  “质谱过分于敏感,是以我们获得了大量物资,却不知道它们是甚么。”Wishart说。为了帮忙研究者进行代谢物判定,安捷伦研发了气质和液质联用质谱的数据库,专供基于质谱手艺的代谢物判定。力可公司供给了一个GC-TOF的数据库,据Patrick暗示可用于任何气相色谱的数据,虽然该数据库是为力可公司的仪器而进行的优化。力可公司今朝正在摸索与高分辩率切确质谱库进行合作的机遇。

  Wishart意想到,最未知的是代谢物中的代谢物:“分化产品和由酶转换而来的或具有微生物活性的份子。”这类份子的类似性是判定它们的关头身分。Fiehn团队研发了一些贸易化的质谱文库,也在开辟虚拟文库。研究职员可以从物资已知的谱图数据动身,来展望类似的或润色变异物的谱图。LipidBlast是Fiehn团队开辟的串连质谱虚拟谱库,跨越20万种脂类可供免费下载。

  为了面临数据整合和可搜刮性所带来的挑战,代谢组界采纳了一些行动,鞭策数据存储库的成立。例如位于英国的Metabolights是由欧洲代谢组学尺度调和委员会(COSMOS)同盟所撑持的,该同盟拟定了代谢组学的数据尺度。还有代谢组学工作平台(Metabolomics Workbench),该平台旨在成立国立卫生研究院帮助下的代谢组项目标数据库。赛默飞世尔科技与Fiehn合作推出了mzcloudorg网站供给免费的社区数据库,数据库包罗在判定时有待注释的未知组分的真实和虚拟谱图。

  即使是在代谢组学界有了存储数据的数据库以后,Patrick仍意想到,鉴于大量数据的布景和意义,“系统生物学的重要挑战是生物学干扰”。他以为解决的方案是软件,这“驱动着代谢组学的成长标的目的。” Bernard也有同感,他暗示Metabolon公司客户重要的需求是帮忙他们理解成果的生物学意义,“质谱对发生数据来讲很不错,挑战在于从噪音平分离出旌旗灯号:85%的质谱数据点都是噪音”。Metabolon公司的客户可使用MetaboLync的门户网站,此中包括了他们样品中的一系列代谢物,对照具有跨越14万种组分的当地文库,用于主动认证代谢物的判定,Bernard弥补道,别的该门户最壮大的特征在于,它具有在通路程度可视化并摸索数据的能力。

  跟着该范畴的不竭成长,仪器供给商和办事供给商都火急地等候与用户在他们的代谢组学研究上睁开合作和会商,不但是生意关系,并且可以把握当前动态。“我们正与一些科研职员展开紧密亲密合作。”Sana 说,“在推动代谢组学范畴的成长中,研究职员常常是新点子的来历。”

  (译者之一高峻海系中国科学院海洋研究所助理研究员)

  Chris Tachibana 是美国西雅图和丹麦哥本哈根的科学作家。

  原文:What's next in 'omics: The metabolome

 

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