朱正江——基于LC-MS的非靶向代谢组学

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所属分类:代谢组学

本次课程主题为《基于LC-MS非靶向代谢组学》,主要分为代谢组学简介、代谢组学技术简介、非靶向代谢组学方法和数据采集、非靶向代谢组学数据分析和代谢物结构鉴定几个方面。
一、代谢组简介

基因组学——What can happen;转录组学——What appears to be happening;蛋白组学——What make it happen;代谢组学——What has happened and is happening,这里代谢组反映的是整个生命体最末端的活动,比如产生能量、物质等。但不能单单把代谢组看成是生命活动的最末端,一些功能性代谢物可以反向调控蛋白、转录、基因组。比如DNA、RNA等小分子的甲基化/乙酰化修饰,绝大多数蛋白质的修饰等,都是小分子代谢物的作用。
二、代谢组技术简介
代谢组学面临一个挑战,以HMDB数据库为例,一共搜集到114099个代谢物,而代谢物化学结构多样(差别很大或很小),理化性质复杂(水溶性和脂溶性),生理功能丰富。所以怎么样在一个试验中尽可能多的检测到代谢物?

常用的方法有NMR、GC-MS、LC-MS等。现在液质可以测到pg级,浓度跨5-6个数量级,灵敏度更高,因此代谢检测以LC-MS为主。
三、非靶向代谢组学方法和数据采集
靶向和非靶总结来讲,都遵循三个步骤:一、Metabolic Profiling;二、找到代谢物的差别并知道代谢物是什么?三、把代谢物变化反映到生物学问题上,如何解释?

四、非靶向代谢组学方法和数据采集
非靶向代谢组学数据分析:目前非靶向数据下机后,很多实验室选择用XCMS这个在线的软件进行处理,其主要的流程包括峰的识别和处理、保留时间校正、填补空缺等步骤。

XCMS Online不建议大家去用了,因为它在美国上传数据太慢。MZmine有界面,可以在本地用。另一个推荐的是日本科学家做的MS-DIAL,Windows下面也可以用,界面友好,功能丰富。速度也比较快。
五、代谢物结构鉴定和数据库

METLIN数据是general而且是免费的,但是不能下载,只能看用。日本的MassBank已经不能访问了,欧洲的还可以访问。mzCloud是Thermo的数据库,只能看和用,也不能下载。NIST17是收费的数据库,每三年更新一次。平台很重要,你用什么仪器就要选择对应的平台来进行数据分析。
做代谢物鉴定的时候,同时有一级数据、二级数据,主要依据图谱来鉴定。存在问题是代谢物测到的数目的peak有几千几万,而鉴定到的代谢物只有四五百,这是冰山一角,这就是非靶代谢组面临最主要的问题。

上述问题解决方法有很多种,一种方法是刚刚讲的标准图谱匹配,另一种是我们实验室最近发表的一种算法MetDNA,MetDNA可以同时帮助代谢物鉴定和代谢通路分析,具体原理可以看我们发表的文献。

鉴定完代谢物接下来就是通路分析,通路分析我们可以利用一些工具,比如MetaboAnalyst网络平台、 Mummichog、XCMSonline等,个人建议使用MetaboAnalyst平台进行通路分析。

MetDNA还可以和转录组数据进行关联分析,最简单的就是皮尔森相关性分析。对通路中每个代谢物和对应酶的RNA和蛋白都可以进行关联。

MetDNA怎么用,首先你要去读文献看它的原理,其次我们还提供了MetDNA的一个网站,可以免费使用,全世界有20多个国家500多个注册用户使用。我们MetDNA软件已经授权给迈维代谢。
非靶向代谢组学很重要,它能够测很多代谢物;
其次非靶向代谢组学需要质谱、需要生物信息学、需要代谢物数据库来帮助这个过程。质谱上机自己实验室就可以做,生信分析需要公共工具。
最后代谢物鉴定很重要,我们花很多精力去鉴定代谢物,但是代谢组的目标不是鉴定代谢物,是通过通路分析、通过生物信息分析去获得生物学信息。
代谢物鉴定对Biomarker有用,而绝大部分代谢组学应用是为了获得生物学信息。随着技术发展3到5年内,代谢物鉴定将不是困难,大家要做的就是应用。
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