根据图谱鉴别结构问题相对进展较慢。不能识别图谱中的大多数代谢物峰成为代谢组学研究的瓶 颈之一。在标准数据库中, 多数数据都来源于有机化学领域, 而天然代谢物的结构信息相对较少。以植 物为例, 80% 以上的代谢物在标准谱库中找不到对应的化合物。解决该问题应该更多地依赖于一些新 的算法进行自动推算, 而不是寻找相应的标准参照物。目前, 关于 NMR的自动化谱图结构推测有一定 的进展 [ 27] , 而关于 M S图谱的分析相对落后。
2 代谢组学的技术平台及进展
由于代谢物的多样性, 许多分析技术得到广泛应用 [ 11 ] 。图 2所示为各种代谢组学研究中常用的技 术平台 [ 7] 。根 据样品的 属性和 研究目
的来选 择 并综 合利 用 多种 技 术 平台。
例如研究 植物与微 生物常使 用质谱检
测代谢物, 而在动物样品的研究中则更 多地采用了 核磁共振 ( NMR ) 技术 [ 12] 。 目前, 应用最广 泛、最有 效的技 术是气
GC条件下容易分解。尽管衍生化过程会降低样品的通量, 将样品衍生化后再进行 GC 分离, 仍然是解
决上述问题的一条有效途径。
LC-M S具有强大的分离能力, 广泛应用于难挥发性物质的分析。目前, 反相 LC 技术应用较普遍, 但常规 LC在分离极性较强物质时仍然具有重要作用。 T o lstikov等 [ 13] 开发出一种亲水作用色谱技术
异峰从而揭示生物对疾病或有毒物应答的生物标记物。另一个重要的概念是代谢产物组学 ( m etabonom ics) [ 8] , 多指以核磁共振 ( NMR ) 手段研究与疾病相关的代谢物。 N icho lson等认为代谢产物组学是综
合地研究某一时间点对细胞内全部代谢物的影响 [ 8, 9] 。不过, 上述有关代谢组学的各种概念仍在发展和完 善中。代谢组学会 ( M etabolom ics Soc iety) 也将代谢组学的定义视为学会亟待解决的重要问题 [ 9] 。
( hydrophilic interact ion chrom atography , H IL IC ), 采用 ( m ono lith ic C18 silica)长柱提高了分离效率, 并且更 易于与 MS对接, 检测到许多极性物质。此外, HPLC-M S、毛细管 HPLC-M S、UPLC-M S 以及多维色谱等 技术逐渐应用到代谢物组学研究, 明显提高了分辨率、灵敏度和通量 [ 16 ] 。毛细管电泳在代谢物分离方 面是一个新的发展方向, 其效率优于 LC和 GC[ 7] ) 2 (中山大学生命科学学院生物防治国家重点实验室, 广州 510275) 3 (南方医科大学公共卫生与热带医学学院, 广州 510515)
摘 要 代谢组学、基因组学和蛋白质组学是系统生物学研究的重要组成部 分。本文 在文献和作者本人研究 的基础上, 对代谢组学的产生和技术平台及其在环境微生物领域的研究进展 进行了评述。
关键词 代谢物, 代谢组学, 环境 微生物, 生物降解, 评述
1引 言
代谢组学 ( m e tabo lom ics) 诞生至今不到 10年, 但发展非常迅速 ( 图 1) , 现已成为系统生物学研究的
一个重要组成部分 [ 1] , 在诊断及功能基因组研究中
发挥出日益重要的作用 [ 2] 。随着基因组学研究的深
图 2 代谢组学常见硬件技术平台 F ig. 2 G eneral strateg ies for me tabo lom ic studies
飞行时间质谱 ( TOF-M S) 联用可以进行高通量分析: 由于 TOF 检测时间短, 一个月可分析 1000个以上
样品; 而且, 利用升级的解析方法可以从植物叶片提取物的 GC-TOF 图谱中一次解析出 1000种以上化 合物 [ 15] 。但是 GC分离样品分子量范围有限, 不能分离大分子及难挥发物质, 同时热不稳定性物质在
第 2期
周宏伟等: 代谢组学及 其在微生物领域的研究进展
3 11
采用低分辨率电喷雾质谱分析, 根据获得的指纹图谱进行高通量筛选 [ 21] 。 A llen等 [ 22] 采用该方法成功 地区分开仅仅一个基因差异的酿酒酵母。
生物体内的代谢物随时间和空间的变化而不断地发生变化, 所以时间动力学与空间分布的变化是 代谢物组学研究的重要课题。虽然可以通过连续取样的方法来研究时间动力学, 但是该方法费时费力。 利用 NMR及 FT IR 等技术进行非介入性研究是一个新的发展方向。此外, 利用分子生物学手段的研究 也有新的进展。 F ehr等利用 GFP融合葡萄糖结合蛋白, 通过荧光强度来监测胞内的葡萄糖浓度。结果 发现, 在 CO S-7细胞胞浆内的葡萄糖浓度的变化范围高达两个数量级 [ 23] 。
关于代谢数据的可视化及建模, 不少文献中都有介绍 [ 5, 8, 28] , 在此不再赘述。与其它组学研究类似, 代 谢组学数据的标准化及存储也是一个重要的问题。目前, 一些相关的数据库已经建立, 例如拟南芥代谢组 数据库以及包含各种代谢途径的 KEGG 数据库等等[ 24, 29] 。但是, 类似基因组研究中 G enbank作用的代谢 物数据库尚未建立, 未来的发展方向是建立综合、关联基因组、蛋白组及代谢组数据的大型数据库[ 24] 。
代谢组学原始数据的解析可分为如下 3个基本步骤: ( 1) 提取出色谱分离 (如 GC-M S) 后未能有效 分开的代谢物峰并得出其相应浓度; ( 2)根据其保留时间及质谱图等信息鉴别有效峰所代表的化合物; ( 3) 根据代谢数据建立代谢网络模型 [ 12] 。目前已经开发出界面友好的公开软件, 如 Sum ner等 [ 25] 开发 的 MSFACT S ( m etabo lom ics spectral form atting, alignm ent and conversion too ls) , 可以输入如 GC-M S原始 数据, 输出代谢物清单。 Johnson等 [ 26] 设计了一种新的算法, 可进行图谱的快速比对。
相色谱-质谱 ( GC-MS ) 和液相色谱-质谱 ( LC-M S) [ 3] 。这 两种技 术可 以检 测包
括糖、糖醇、有 机酸、氨基 酸、脂 肪酸以
及大量次 级代谢物 在内的数 百种化合
物。 GC-M S 具有较高 的分辨率 和灵敏
度。因此, 与 GC-MS相关技术的发展很
快, 如采用 GC-GC-M S技术增加单次分 析可分离代谢物的种类 [ 14] ; 利用 GC 与
文提或摘要内, 检索 W eb of Science以 及 Pubmed。所 得文献 经整理删除重复数据 ( to the end of 2005, by search ing t itles / abstracts /k eyw ords of W eb of K now ledge and Pubm ed u sing - etabolom e. or -m etabolom ic. or -m etabo lom ics. or -m etabon om e. or -m etabonom ic. or -m etabonom ics. as the search term )。
2006-07-24收稿; 2006-09-16 接受 本文系国家自然科学基金 ( N SFC, N o. 20307012) 和香港研究资助局项目 ( R esearch G ran t C ouncil ofHK SA R, R e.f N o. C ityU 1449 /05M ) 资助
* E-m ai:l cesltg@ m ai.l sysu. edu. cn
一个普通的细胞内可能含有或产生的代谢物种类远远超出人们最初的预想。 F iehn等 [ 12] 从拟南芥 叶片中鉴定出 326种代谢物, 通过对数据深入分析, 发现最初的图谱能够解析出 1000种以上的代谢物。 因此, 随着硬件平台的发展, 代谢组学研究将获得海量的数据; 而如何解析、储存这些数据并从中提取有 用的信息则非常重要。因此, 代谢组学数据的处理已经成为生物信息学的一个新的重要分支 [ 24] 。
入, 功能基因组开始研究基因组、转录组以及蛋白组
的数据与表型之间的关系; 而细胞内的全部代谢物
最接近于表型, 从而产生了研究全部代谢物的要求, 代谢组 ( m etabo lom e) 的概念由此诞生 [ 3] 。 F iehn等在
20 00年 以拟 南芥 叶为 模型 的工 作标 志 着代 谢 组学 成
然而, 由于代谢物 组成复杂、含量不一, 样品制备过
程的偏差, 以及检测设备的量程及通量等问题, 目前还难以分析全部的代谢物。因此, 在现阶段代谢组 学更多地被视为 / 非目标性 0代谢物研究 [ 7] 。与代谢组学相关的概念还有代谢指纹分析 ( m etabo lic fin-
gerprint ing) , 即对粗提代谢物进行高通量的定性分析, 通过谱型比较将样品进行快速分类, 或者寻找差
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分析化学
第 35卷
代谢组学与其它组学的研究对象的最大区别是其研究代谢组的变化。代谢组的变化是生物对遗传 变异、疾病以及环境影响的最终应答 [ 6] 。代谢组学受进化的影响较小, 在不同物种间其检测方法比其 它组学方法更为通用。以果糖二磷酸化酶检测为例, 基因组或蛋白组研究需要掌握不同物种内该酶的 编码基因或蛋白序列, 并根据该信息设计相应芯片或质谱检测技术; 代谢组则不管在何种生物内, 该酶 的底物和产物 ( 1, 6-二磷酸果糖和 6-磷酸果糖 ) 都是一致的, 因而其检测方法可适用于所有物种 [ 7] 。
检测器是代谢物组分析关键因素之一。傅里叶变换离子回旋加速器质谱 ( FT-M S) 技术在代谢物组 领域具有良好的应用前景。借助高分辨率质谱 ( > 106 ) , FT-M S可以进行精确的质量分析, 并根据同位 素间分布直接得出经验分子式 [ 18 ] 。核磁共振 NMR 技术多用于代谢物指纹图谱分析和寻找样品间的显 著差异代谢物, 更多地用于哺乳动物样品的检测。NMR 技术是代谢产物组 ( m etabonom ics) 研究最有力 的工具, 具有较好的重复性 [ 19] 。拉曼以及傅里叶红外等振动光谱的灵敏度虽然相对较低, 但是, 傅里叶 红外在生物样品的高通量筛选分类方面非常有效。 E llis等 [ 20] 利用该方法研究了肉类在变质过程中的 代谢谱, 发现该过程的主要生化指标为蛋白质降解。一种新的发展趋势是样品不经色谱分离直接进样,