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代谢组这么火,你却不知道怎么用?

发布时间: 2022-08-23 浏览量:0

代谢组学是研究源自细胞和生物体代谢的小分子的技术,它反映了生命系统中复杂的生化反应结果。作为组学家族的新成员,依托于质谱技术(MS)的进步和优化,代谢组学在过去十年中取得了显著的进展。在现代健康和医学研究中,基于MS技术的代谢组学不仅为疾病诊断和预后监测提供了创新工具,在营养科学、毒理学和法医学领域也发挥了越来越重要的作用。

代谢组主要研究对象


代谢组学特点

  • 以往常规的代谢物检测方法主要基于成像和标准的临床实验,操作复杂且检测的代谢物通量低,而质谱代谢组可同时检测大量代谢物,提供的信息更全面;

  • 代谢物处于基因表达调控和蛋白质作用网络的下游,提供的是终末信息,具有级联放大效应,在转录和蛋白层面未能检测到的变化,在代谢组层面却可能检测到;

  • 代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列数据库,物种适应性广


那么代谢组具体可以应用于哪些方面呢?下面小编就几个主要的应用方向跟大家做个简单介绍。


01 肿瘤诊断、治疗和标志物筛选

癌症对机体代谢有多种影响,包括细胞内的代谢重组以使癌细胞异常增殖从而适应肿瘤微环境,以及诱导正常组织代谢水平变化。随着人们对PET分子成像技术(主要检测氟脱氧葡萄糖)可作为许多癌症治疗重要工具的认知的提升,生物体系中的其他代谢物也已经逐渐成为癌症诊断、监测和治疗的焦点。

肿瘤与代谢组在多层面均能互相影响


角度1:肿瘤细胞代谢监测

肿瘤发生的标志事件之一即是癌细胞能量消耗的增加,最具代表性的就是葡萄糖消耗显著增加。除了葡萄糖外,其他代能量源的消耗也会有不同程度的增加,这主要跟肿瘤类型和营养环境有关。通过检测生物体中的能量代谢物水平,可以实现对肿瘤发生的诊断以及动态监测。


角度2:靶向肿瘤代谢过程的药物疗效评价

肿瘤细胞的代谢相对于正常细胞代谢更加活跃,相应的对干扰代谢过程的因素也更加敏感。使用靶向肿瘤细胞中的关键代谢通路(碱基合成、脂肪酸合成、氨基酸合成等)的药物可以抑制肿瘤细胞的生长和增殖,基于此通过检测核心通路中的代谢物水平可以评估药物的效果以及患者对相应药物的敏感性。


角度3:标志物筛选

不同癌种在基因和蛋白以及代谢组水平均会有特异性的改变,通过相应的组学手段筛选特定癌种的分子标志物,对于癌症的早期诊断和干预意义重大。相对于基因和蛋白组,代谢组具有信号的放大效应,从而对肿瘤的反应更加直接和灵敏,是筛选早期诊断标志物的重要手段。


02 肠道微生物与代谢组 

人体的代谢能力涉及肠道微生物群和宿主细胞之间的复杂相互作用。这些基于代谢产物生成的相互作用从个体出生时即已开始。小分子代谢物,比如维生素、脂肪酸、氨基酸(AAs)和胆汁酸,通过与特定宿主膜或核受体结合来调节宿主肠道代谢稳态。肠道微生物群促进了人类免疫系统的发展,而免疫系统反过来又塑造了微生物群的组成。


虽然目前宏基因组已经被广泛用于关联人类健康状态,但是主要局限于微生物组成和基因功能。要得到肠道微生物与疾病更全面的互作关系通路,需要引入新的组学手段,肠道微生物的代谢组分析可以很好的作为两者之间的桥梁,因此肠道微生物与代谢组联合分析在人类疾病(糖尿病、肥胖、肝病等)的研究中也得到了越来越多的应用。

由代谢组介导肠道微生物与宿主

相互作用以及对健康的影响


03 环境污染物对生物体的毒性效应

在过去的几十年中,环境污染物对非目标生物的毒性效应受到了越来越多的关注。作为一种新的组学技术,代谢组学可以通过研究生物体内内源性代谢产物相对含量的变化,在整体水平上阐明生物体的代谢稳态。近来,大量研究使用代谢组学技术来研究环境污染物对生物体的毒性效应。

 

通过对环境污染物条件下生存的生命体进行代谢产物含量分析,并同时监测毒性效应,可以分析污染物对机体毒性效应的程度以及具体的机制。

代谢组分析研究环境污染物对生命体的毒性效应


当然,代谢组的应用远不止于此。除了上述应用,代谢组在药物研发、营养科学、法医以及植物代谢功能机制研究等方面也发挥了重要作用。

代谢组部分应用方向展示


代谢组研究根据实验流程和所用数据库主要分为三种:非靶向代谢组、靶向代谢组和类靶向代谢组。在实际的课题研究中,究竟该如何选择往往困扰着研究者。我们特别整理了三种方法的对比,您可以根据自己的研究目的和实验需求做出决定。

代谢组实验流程


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参考文献:

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2. Xi-wu Zhang, et al. Mass spectrometry-based metabolomics in health and medical science: a systematic review. RSC Adv., 2020, 10, 3092

3. Daniel R. Schmidt, et al. Metabolomics in Cancer Research and Emerging Applications in Clinical Oncology. CA CANCER J CLIN 2021;71:333–358

4. Saleh Alseekh, et al. Mass spectrometry-based metabolomics: a guide for annotation, quantification and best reporting practices. Nature Methods; VOL 18; July 2021; 747–756

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