Lw——代谢组学

• 提出问题（生理）√
– 历史上玫瑰有浓郁香味 – 现代玫瑰消失了香味
• 代谢上的差异 • 查找导致代谢不同的原因 • 找到相关的基因 • 潜在的运用
Fig1. Rose flowers of cultivars Golden Gate (GG) and Fragrant Cloud (FC) at different developmental stages.
• 找到相关的基因 √
FC0592 编 码 的 蛋 白 是大根香叶烯合酶， 参与了玫瑰香气的 产生
实 例 2：
3min 400种代谢物LC-MS/MS分析方法有效提高代谢组研究通量
UHPLC-MS方法应用于创伤性型小鼠与代谢物关系分析
现象：创伤性小鼠体液中琥珀酸具有明显的差异性； 研究方法：小鼠创伤性和正常小鼠同时进行13C515N2-glutamine 静脉注射，基 于建立的UHPLC-MS方法追踪受伤小鼠和正常小鼠肺中具有同位素标记的琥珀酸 含量；
不同基因型植物的 代谢物组学表型研 究 某些生态型植物的 代谢物组学 受外界刺激后植物 自身免疫 应答
植物代 谢组学
实 例 1：
Rose Scent: Genomics Approach to Discovering Novel Floral Fragrance–Related Genes
基因组 学
• 研究生物系统的基因结构组成, 即DNA的序列及表达 • 研究核糖核酸转录过程 • 研究生物系统表达的蛋白质及由外部刺激引起的差异
• 研究生物体系(细胞, 组织或生物体)受外部刺激所产生的所有 代谢产物的变化
系 统 生 物 学
转录组 学 蛋白质 组学
代谢组 学
代谢组学 转录组学 代谢组 转录组 蛋白质 细胞 代谢物 蛋白质组 基因组学 蛋白质组学 组织
黄玫瑰有香气，从第四阶段开始。
• 提出问题（生理）
• 代谢上的差异√
– 与香气有关的化合物的差异
• 查找导致代谢不同的原因 • 找到相关的基因
• 潜在的运用
→ 收集挥发物 → GC-MS 分析
实验A：比较FC和GG的挥发物差异。 实验B：比较花瓣不同阶段的挥发物。
香气物质 FC > GG
香气物质 后 > 前
样品预处理 代谢物分析-数据采集 数据分析
生命现象的解释
代谢组学研究的主要应用领域
药物筛选 药效及毒性评价 作用机制和 临床评价
药物 研发
疾病 研究
病变标记物的 发现 疾病的诊断 治疗和预后的 判断
微生物 代谢组 学
代谢途径及微生物代谢 工程 发酵工艺的监控和优化 微生物降解环境污染物
FC中香气物质合成相关的基因（推测）表达高。
FC/EST文库→ 1834克隆→ 功能注释→ 分类→ 选出350基因做芯片探针
350探针putative functions: 因为两种花瓣在大小/颜色等有差异（科学家的经验）。 primary and secondary metabolism, development, transcription, cell growth, cell biogenesis and organization, cell rescue, signal transduction, and ESTs with unknown function.
主要技术手段是 核 磁 共 振 （NMR），液-质 联 用 （ LC-MS ） ， 气 - 质 联 用 （ GCMS ） ， 色 谱 （ HPLC ， GC ） 等
代谢组学研究流程
样品采集
代谢组指 一个细胞、 组织或器 官中所有 代谢组分 的集合， 尤其指分 子质量为 1,000以下 的小分子 物质。
为什么研究代谢组学？
细胞 内许多生命活动是发 代谢组学是系统生物学 生在代谢物层面的，如细胞信 号释放，能量传递，细胞间通
重要组成部分；
信等都是受代谢物调控的；
代谢组学
代谢物更多地反映了细胞 所处环境，这与细胞的营养状 态、药物和环境污染物的作用 以及其它外界因素的影响密切 相关； 基因组学和蛋白质组学能 够说明可能发生的事件，而代 谢组学则反映确实已经发生了 的事情；
分析方法
代谢组学主要 研究的是作为各种 代谢路径的底物和 产物的小分子代谢 物。 其样品主要是 体液以及细胞和组 织的提取液。
运用现代分析技术对目 标物随时间变化的代谢 物浓度进行检测，结合 有效的模式识别方法进 行定性、定量和分类， 并将这些代谢信息与病 理生理过程中的生物学 事件关联起来，从而了 解机体生命活动的代谢 过程。
同位素标记代谢物谷氨酰胺、琥珀酸具有在创伤性小鼠体内具有明显的上调趋势， 谷氨酰胺通过谷氨酰胺分解途径产生的谷氨酰胺进入TCA代谢途径，促进琥珀酸的积聚。 验证了作者提出的受伤小鼠会促进琥珀酸累计。
个体
mRNA DNA
基因组
代谢组学优点
基因和蛋白表 达的有效的微 小变化会在代 谢物上得到放 大，从而使检 测更容易；
代谢组学的技 术不需建立全 基因组测序及 大量表达序列 标签（EST）的 数据库；
代谢物的种类要远 小于基因和蛋白的 数目，每个生物体 中代谢产物大约在 103数量级，
因为代谢产物在 各个生物体系中 都是类似的，所 以代谢组学研究 中采用的技术更 通用；
比较：FC4和GG4，FC1和FC4
结果：找到40个基因，既在FC中表达高，又在FC4中表达高。
40个基因中，部分基因注释（推测）功能和表达样式
挑选有代表性的基因（FC0592）做下一步实验。
wenku.baidu.com
FC0592功能验证：
1、序列比对： 与已知功能的基因，相似性高； 2、 Northern 杂交检验表达的时空特性： 与微阵列数据作用重叠，用一种技术的结 果验证另一种技术的结果； 3、离体证据： 体外实验证明能催化香气合成反应； 4、FC中大根香叶烯产生的时空与基因表 达； 5、FC挥发物中有大根香叶烯；
代谢组学
代谢组学定义
代谢组（metabolome）：
基因组的下游产物也是最终产物，是一些参与生物体新陈 代谢、维持生物体正常生长功能 和生长发育的小分子化合物 的集合，主要是相对分子量小于1000的内源性小分子。
代谢组学（Metabonomics/ Metabolomics ）：
通过考察生物体系（细胞、组织 或生物体）受刺激或扰 动后（如将某个特定的基因变异或环境变化后），其代谢产物 的变化或其随时间的变化，来研究生物体系的一门科学。
代谢组学局限性
1、不能将生物体所有的代谢产物全面涵盖，活的生物体的内在生物学变化，大多实验仪 器存在动力学局限性，导致代谢物的化学复杂性； 2、技术难题：代谢组学中的主要技术难点在于分析物浓度的动态范围 ；
代谢组学研究对象和方法
TEXT 研究方法 TEXT
研究对象
TEXT
技术平台
验证鉴定结果
抗炎活性组分
有香气的玫瑰释放出芳香化合物，时机是在花瓣发育的后期。
• 提出问题（生理） • 代谢上的差异 • 查找导致代谢不同的原因√
– 基因表达差异 – 差异基因中，有与挥发物合成相关的
• 找到相关的基因 • 潜在的运用
对比两种玫瑰花瓣的基因表达
构建EST文库 （4期FC和GG） 随机挑选 克隆测序 功能 FC ：1834克隆 注释 GG：1039克隆 比较表达丰 度高的基因