代谢组学-生物化学与分子生物学课件

代代谢组学学学生：赵珊 夏常艳 王亮根 李戆敏2008.10.26代代谢组谢组学学代谢组学的定义代谢组学(metabonomics/metabolomics)是关于生物体内源性代谢物质的整体及其变化规律的科学。代谢组学的中心任务包括检测、量化和编录生物内源性代谢物质的整体及其变化规律，联系该变化规律与所发生的生物学事件或过程的本质。有人认为，“基因组学和蛋白质组学告诉你什么可能会发生，而代谢组学则告诉你什么确实发生了。”（Bill Lasley,UC Davis）代代谢组谢组学的定学的定义义代代谢组谢组学学(metabonomics/meta研究手段分析方法色谱-质谱联仪方法磁共振波谱法色谱-核磁-质谱联仪法数据分析处理非指导性(unsupervised)方法主成分分析(principal component analysis，PCA)指导性(supervised)方法偏最小二乘法为基础的分析(partial least square,PLS)研究手段分析方法研究手段分析方法应用在基础生命科学研究中的应用 代谢组变化的分析可以与基因或表达改变的后果联系起来，从而认识相关基因的功能 动物宿主代谢和体内菌群代谢相关性的整合研究在药物研发中的应用用于 药物筛选、药物毒理、药理和临床评价等诸多方面在病理生理研究中的应用 高血压、多种肿瘤、老年骨质疏松、风湿性关节炎、可传染性脑病、血吸虫病、应激、肠炎和克朗氏病、衰老、肠道综合征、糖尿病和肝炎、先天性代谢疾病等疾病营养代谢组学 表儿茶素影响动物代谢组、大豆异黄酮影响人体代谢组、长链不饱和脂肪酸动物代谢组影响应应用在基用在基础础生命科学研究中的生命科学研究中的应应用用基于LCMS和NMR的番茄代谢组学相关性分析 （Intra-and inter-metabolite correlation spectroscopy of tomato metabolomics data obtained by liquid chromatography-mass spectrometry and nuclear magnetic resonance）作者：Sofia Moco,Jenny Forshed,Ric C.H.De Vos,Raoul J.bino,Jacques Veroort文献来源：Metabolomics(2008)4:202215 DOI 10.1007/s11306-008-0112-8基于基于LCMS和和NMR的番茄代的番茄代谢组谢组学相关性分析学相关性分析 （Int前言NMR和LCMS是代谢学研究的常用的技术手段。将同一样品的NMR和LCMS谱图分析获取的代谢组学数据统计结合，这就可以了解同一代谢物的光谱及其性质的关系。相关性分析是一种统计学方法，可用于建立一生物系统代谢物信息的相互关系。在本文中，利用1H NMR和精确质量液相四极杆飞行时间质谱（LS-QTOF-MS）技术分析50种蕃茄栽培品种成熟果实的代谢谱图。前言前言NMR和和LCMS是代是代谢谢学研究的常用的技学研究的常用的技术术手段。手段。材料和方法50个蕃茄栽培品种（94种基因型，华盛顿的温室）六种标准品（L-Trp，D-(+)-Glc，柠檬酸，芦丁,氯原酸,-蕃茄素）样品前处理 蕃茄切片氮冷冻-80保存冷冻干燥精确称取0.3克干粉加1.2ml甲醇超声15min3000g离心5min0.2m过滤取600l,NMR分析稀释4倍,LCMS分析（4 条件下进行）。材料和方法材料和方法50个蕃茄栽培品种（个蕃茄栽培品种（94种基因型，种基因型，华华盛盛顿顿的温室）的温室）NMR分析 500 MHz Bruker AMX NMR 光谱（5mm TXI 探针，298 K）+Bruker XWIN-NMR version 2.1（傅里叶变换）LCMS分析（LC-QTOF-MS）Waters Alliance 2795系统+分析柱+HTWaters 2996 PDA 检测器+QTOF Ultima V4.00.00质谱数据处理 软件：MATLAB version7.10 主成分分析（PCA）相关性分析：Pearson相关性系数 马尔距离：MDNMR分析分析结果与讨论1H NMR分析LCMS分析标准品的NMR和LCMS响应值样品LCMS-LCMS信号的相关性生物学样品NMR-LCMS信号的相关性结结果与果与讨论讨论1H NMR分析分析1H NMR分析分析芳香族化合物区糖区氨基酸区检测方法是建立先前报导的番茄样品研究结果和基于NMR的数据库。初级代谢物：浓度高次级代谢物：种类多1H NMR分析分析芳香族化合物区糖区氨基酸区芳香族化合物区糖区氨基酸区检测检测方法是建立先方法是建立先LCMS分析代谢谱图与以前报导相似（MOCO et 2006)检测方法基于先前出版的番茄代谢组学的LCMS数据库LCMS分析分析代代谢谱图谢谱图与以前与以前报导报导相似（相似（MOCO et 200NMR/LCMS数据的PCA樱桃番茄与牛肉番茄和圆番茄的代谢差异较大，牛肉番茄和圆番茄的代谢相似NMR/LCMS数据的数据的PCA樱樱桃番茄与牛肉番茄和桃番茄与牛肉番茄和圆圆番茄的代番茄的代谢谢标准品的NMR和LCMS剂量效应六种标准品在两种方法的计量效应关系。在NMR中，仪器响应是呈线性关系（所有共振和被测的代谢物，相关性系数均值为1）。新型MS检测范围更广，本实验中，其检测响应在母离子强度达到20000个/扫描时呈线形的标标准品的准品的NMR和和LCMS剂剂量效量效应应六种六种标标准品在两种方法的准品在两种方法的计计量效量效样品NMR-NMR信号的相关性将取准后的蕃茄样品NMR信号强度进行相关性分析来鉴定品系数据矩阵中有相关的NMR信号。相关系数|r|0.8有相关1008个NMR谱峰，30000相关（置信区间3.0%）理论上不同样品中同一化合物显著相关，如蕃茄样中的葫芦巴碱（A）、蔗糖（B）、柠檬酸（C）证明这点。样样品品NMR-NMR信号的相关性信号的相关性将取准后的蕃茄将取准后的蕃茄样样品品NMR信号信号样品中胡芦巴碱信号强度低其部分质子高度去屏蔽化其部分共振区间出现空白（如在9.2&8.9ppm）蔗糖在5.385ppm处强特征信号；在3-4.5ppm处有重叠（游离糖，糖代谢物）蔗糖在蕃茄中含量高。相关性分析（可从一组混杂的信号中分出同一化合物的信号）内源代谢物鉴定变得容易样样品中胡芦巴碱信号品中胡芦巴碱信号强强度低度低其部分其部分质质子高度去屏蔽化子高度去屏蔽化其部分共振其部分共振样品LCMS-LCMS信号的相关性3374个质谱信号，130000明显相关（1.2%）。同一代谢物中质谱信号中相关度最明显的是蔗糖(r 0.96)。三个化合物的分析情况：蔗糖(341 m/z)、Phe(164 m/z)和氯原酸(353 m/z,保留时间14.9 min)。样样品品LCMS-LCMS信号的相关性信号的相关性3374个个质谱质谱信号，信号，1蔗糖(341 m/z)387 m/z=蔗糖+HCOOH-H-,683m/z=蔗糖+蔗糖-H-,684 m/z=2nd isotope of 蔗糖+蔗糖-H-,1,025 m/z=蔗糖+蔗糖+蔗糖-H-氯原酸 II(353 m/z at 14.9 min)677 m/z at 40.7 min=三氯原酸 acid II-H-,677 m/z at 39.4 min=三氯原酸 I-H-,515 m/z at 30.7 min=二氯原酸 III-H-,515 m/z at 28.6 min=二氯原酸 II-H-,515 m/z at 27.9 min=二氯原酸 I-H-,353 m/z at 13.2 min=氯原酸 I-H-.氯原酸不但与其特异异构体还和其衍生物高度相关蕃茄中有一系列的氯原酸衍生物；可鉴定复杂混合物中生物化学高度相关的化合物；显著（r0.8）的LCMS-LCMS相关不仅在同一代谢物中还在化学相关的代谢物中。蔗糖蔗糖(341 m/z)387 m/z=蔗糖蔗糖+HCOO生物学样品NMR-LCMS信号的相关性LCMS信号NMR谱峰（3374 1008）514个显著正相关，47个显著负相关（0.016%，6%的数据参与相关性配对）NMR-LCMS相关性图（|r|0.8）NMR-LCMS显著相关的网状图观察到的NMR-LCMS变量相关性是变量间不同相互作用的结果生物学生物学样样品品NMR-LCMS信号的相关性信号的相关性LCMS信号信号NMRSection of the correlation map of NMRLCMS for tomato fruit:3.0056.995 ppm(NMR);2,9003,100(LCMS peak number)=(23.1227.55 min).Horizontally,the NMR buckets(ppm)of the samples are overlaid and vertically the LCMS peak numbers(peak numbers increase with retention time and m/z)of the samples are overlaid.In the central frame,the correlation coefficients,r,for NMRLCMS correlations are displayed as a blue-red heat mapSection of the correlation map最最大的簇A包含50%的节点，特征性NMR质谱为糖峰（除8.205ppm）,随后的峰可能是甲酸，与一系列信号高度相关，大多糖都是这个簇LCMS信号（游离糖、糖基化的生物碱和皂素）。在5.375、5385和5.395ppm处的峰相当于糖的异头物，与该簇75%信号相关蕃茄中有丰富的糖基化代谢物。第第二大簇B为柚皮素和柚皮酮衍生物信号。8种柚皮素和柚皮酮衍生物可由NMR-LCMS相关性分析法鉴别。本簇有NMRLCMS相关性信号：山奈酚糖苷黄酮LCMS和NMR信号的显著相关 是代谢组数据的完善又一途经。最大的簇最大的簇A包含包含50%的的节节点，特征性点，特征性NMR质谱为质谱为糖峰（除糖峰（除8.在0.7|r|0.8的数集中,发现几个有内相关性信号的代谢产物能相互影响，如蔗糖、Phe和葫芦巴碱。在在0.7|r|0.8的数集中的数集中,发现发现几个有内相关性信几个有内相关性信推论推论：由蕃茄代谢谱图分析技术获取的NMR/LCMS中的化学性重有意义。问题问题：由NMR/LCMS技术得出同一代谢物的数量有困难。展望展望：A.随一些技术改进，有助于基于NMR/LCMS技术的代谢谱图分析获取的内相关信号的质量和数量的优化。B.可用于生物标记和未知代谢物的分析和坚定推推论论：由蕃茄代：由蕃茄代谢谱图谢谱图分析技分析技术获术获取的取的NMR/LCMS中的化学性中的化学性Thank Thank you youThank