代谢组研究知多少？

上回说到基因组学是研究基因可以接受什么任务，转录组学是研究基因即将执行什么任务，蛋白组学是研究基因正执行什么任务，而代谢组就是研究已经执行了什么任务。相关阅读：只做转录组测序有些单调？加个蛋白组研究吧！

图1 多组学研究示意图。[1]

 代谢组学具体研究什么？

代谢组学（Metabolomics）作为系统生物学的一个重要分支，近年来在生命科学领域得到了广泛关注。它通过全面分析生物体内的代谢产物，揭示生命活动的内在机制和生物体的生理状态。

代谢组学是研究生物体内代谢产物（即代谢组）的科学。代谢产物包括了所有小分子物质（相对分子量小于1 kDa），如氨基酸、脂质、糖类、核苷酸等，这些小分子在细胞和生物体内的生物化学过程中扮演着重要角色。这些代谢产物的变化可以反映出生物体的生理状态、疾病状态以及环境因素对生物体的影响等。代谢组学致力于全面而系统地分析一个生物体内的所有代谢物，从而获得整体的代谢图谱。

代谢组的研究涉及对所有代谢产物的定量与定性分析，结合计算生物学和统计学方法，提供对生物体内代谢过程的全面了解。这些代谢产物的变化可以反映出生物体的生理状态、疾病状态以及环境因素对生物体的影响等。

 代谢组学研究有什么显著特点？

① 全面性：同时检测和分析体内所有代谢产物，提供整体代谢图谱。通过代谢组研究能够发现传统方法难以检测的潜在生物标志物。

② 动态性：能够反映生物体在不同环境、不同处理条件下的代谢变化，这使代谢组研究在疾病的早期诊断和预后评估中具有重要作用。

③ 高通量：可以在较短的时间内生成大量数据。技术的进步使代谢组学检测到的代谢物质种类越来越多，覆盖度越来越广。

④ 多维度：代谢组学数据不仅包括代谢产物的浓度信息，还涉及代谢途径的变化、代谢网络的调控等多维度信息。

⑤ 数据量低：相比人体约100万种形态的蛋白，人体代谢物只有5000-7000种，因而代谢组分析较简单，且可获取大部分代谢物的数据；

⑥ 终端和放大效应：代谢组最接近表型，直接反应机体运行和变化的最终作用结果，而且能放大基因/转录/蛋白水平的微小变化。

 代谢组学研究应用于哪些领域？

01医学领域

① 疾病研究和诊断代谢组学在疾病研究中尤为重要。通过分析患者的代谢组，可以识别与疾病相关的代谢物和代谢途径，为疾病的早期诊断和个性化治疗提供依据。例如，代谢组学在癌症、糖尿病、心血管疾病等领域的应用已经取得了一些突破性成果。

② 药物开发代谢组学可以帮助药物研发人员了解药物在体内的代谢过程，评估药物的安全性和有效性。通过对药物代谢物的研究，可以优化药物结构，提高药物的治疗效果，并减少副作用。

③ 代谢机制调控研究研究不同外界刺激或者生理、病理状态下机体代谢途径的变化，揭示机体面对不同暴露环境下的响应机制，以及不同病理阶段机体内的代谢变化机制。

02其他领域

① 环境与营养研究代谢组学能够揭示环境因素（如污染物）和饮食对生物体代谢的影响。通过对环境暴露和营养摄入的代谢组学分析，研究人员可以制定更有效的公共健康政策和营养干预策略。

② 植物科学与农业代谢组学在植物科学和农业中也具有重要应用。例如，通过分析植物的代谢组，可以了解植物对不同环境条件的响应，进而改良作物品种，提高作物的产量和质量。

③ 微生物组学代谢组学也被广泛应用于微生物组的研究。通过分析微生物的代谢产物，研究人员可以了解微生物与宿主的相互作用以及微生物群落的功能，从而推动微生物组在健康和疾病中的应用研究。

代谢组研究用什么平台检测？

NMR（核磁共振）

优势：可以无创的方式定量检测生物体内源性代谢物的整体及动态变化规律，并确定与之相联系的生物化学过程；

劣势：灵敏度较低，动态范围有限。

GC-MS（气相色谱质谱联用）

优势：分辨率高、选择性好，数据库较健全，成本低，可检测生物体内大多数小分子代谢物；

劣势：主要用于检测挥发性强、极性弱、分子量小的物质，衍生化限制其应用范围。

LC-MS/MS（液相色谱与质谱联用）

优势：灵敏度高、分辨率高，可分析不稳定、不易衍生化、难挥发和分子量较大的代谢物。LC-MS可提供良好的代谢物覆盖率，比GC-MS更具灵活性和普适性，是代谢组学研究中应用最广泛的技术平台。一级质谱MS1用于分析过滤前体离子，二级质谱MS2用于分析前体离子碎裂后产生的碎片离子，从而提高了检测的灵敏度；

劣势：定性依赖数据库和标品数据库。

图2 主要测序平台示意图。[2]

代谢组研究策略有哪些？

根据研究策略的不同，代谢组学主要分为非靶向代谢组学、靶向代谢组学和脂质组学三大类别。每种研究策略都有其特定的技术特点和应用领域。

吉赛生物提供代谢组研究解决方案

（一）非靶向代谢组学（Untargeted Metabolomics）

非靶向代谢组学旨在全面、无偏向性检测和分析生物样本中的所有代谢物，以生成整体的代谢特征图谱。由于其全面的特性，非靶向代谢组学广泛应用于发现新的生物标志物、研究代谢途径的变化和探索疾病的潜在机制。

（二）植物代谢组学

植物代谢组学能够尽可能多、无偏向性的检测植物样本内的小分子代谢物，研究不同种类或不同处理条件下的植物代谢物（主要包括初级代谢物如糖类、氨基酸、核苷酸等，次级代谢物如生物碱、黄酮类、酚类等）的变化情况。

（三）土壤代谢组学

对土壤中的小分子代谢物进行无偏向性的检测。多应用于不同处理下根系分泌物的变化，以及植物-微生物互作机制的研究中。

（四）脂质组学脂质组学（Lipidomics）

是代谢组学的一个重要分支，专注于研究脂质类代谢物的组成和功能。脂质组学在研究脂质代谢异常、疾病机制和药物作用机制中具有重要应用。例如，它在心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病等领域的研究中提供了宝贵的数据。此外，脂质组学还在食品科学、环境研究中展现了其潜力。

（五）全谱代谢组学

全谱代谢组学是通过优化提取方法，同时提取、分析生物样本中亲水代谢物和脂质的非靶向代谢组学，从而实现对研究体系内全面代谢网络进行分析。

（六）靶向代谢组学（Targeted Metabolome）

靶向代谢组学专注于对特定代谢物（目标代谢物）或代谢物类别进行精确的定量分析。在药物开发、临床诊断和生物标志物验证等方面有着重要应用。

（七）多组学联合

联合多组学的多维度分析可更好地了解生物体内潜在的调控网络机制，是高分文章的研究策略！

参考文献

[1] Jansson JK, Baker ES. A multi-omic future for microbiome studies. Nat Microbiol. 2016 Apr 26;1:16049. doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.49. PMID: 27572648.[2] Qiu S, et al. Small molecule metabolites: discovery of biomarkers and therapeutic targets. Signal Transduct Target Ther. 2023;8(1):132.