代谢组学虽然是一门年轻的学科，但其最近几年火爆科研圈。以“Metabolomics”为检索词在PubMed网站上检索，可以发现近10年代谢组学相关文章的数量每年保持高速增长。本期伯小医就带大家了解一下代谢组学。
01什么是代谢组学？
代谢组学（Metabolomics）是一门研究生物体代谢产物的学科，是对不同生物体、样本或组织所有代谢物进行定性和定量分析，并寻找代谢物与生理病理、表型动态变化规律的一门学科。其研究对象主要是相对分子质量≤1500 Da的小分子物质，如糖、氨基酸、有机酸、胆汁酸、脂质、维生素等。
代谢组学作为连接基因和表型之间的桥梁（Oliver Fiehn., 2002），是继基因组学、转录组学、蛋白质组学后发展起来的一门新兴学科。有学者认为系统生物学中基因组学反映了可能发生什么，转录组学反映了将要发生什么，蛋白质组学反映了正在发生什么，代谢组学反映了已经发生什么，是最接近表型的一门学科。
图2 系统生物学的研究（Janet et al., 2016）。
代谢组学发展历经了多个重要阶段，可以追溯到中国古代。在中国古代医生就开始用葡萄糖进行糖尿病的诊断。进入中世纪，医生开始通过绘制尿液图谱来分辨不同个体的代谢情况。20世纪70年代初，Baylor医学院开始利用GC-MS对类固醇、有机酸等代谢物进行了分析。随着分析技术的不断发展，尤其是质谱技术和核磁共振技术的进步，代谢组学的技术得到了突破和发展。1982年荷兰应用科学研究所的Van der Greef首次采用质谱技术对尿液代谢指纹进行了研究。随着研究的深入，代谢组学的概念逐渐被提出和完善。1999年英国帝国理工大学教授Nicholson首次提出了代谢组学的概念。2000年第一家代谢公司Metabolon在美国成立。2005年以Metabolomics为名的期刊创建，同年加拿大基因委员会投资750万美元创建了人类代谢组学计划。2018年中国生物物理学会——代谢组学分会成立!
03代谢组学有哪些优点？
与基因组学、转录组学、蛋白质组学相比，代谢组学具有数据量低、易于检测、分析简单、放大效应、终端效应、通用性高等优点。
04代谢组可以分为哪几类？
根据研究目的、检测原理的不同，代谢组学可分为非靶向代谢组学（Untargeted Metabolomics）和靶向代谢组学（Targeted Metabolomics）。非靶向代谢组学是以发现、探索为目的，是对生物样本中的所有小分子化合物进行定性和定量分析，具有分辨率高、检测物质多等优点。而靶向代谢组学是针对关注的物质进行检测分析，通常以标准品为参照，会绘制标准曲线，具有灵敏度高、定性定量准等优点。非靶向代谢组和靶向代谢组的区别如下：
此外，最近几年还有广靶代谢组学、类靶向代谢组学技术，它们介于靶向和非靶向代谢组学之间。
05有哪些类型的仪器用于代谢组学的研究？
不同的代谢物的分子质量、极性等理化性质不同，需要用不同类型的仪器进行检测。常用的仪器有ICP-MS、GC-MS/MS、QTOF GC-MS/MS、LC-MS/MS、Q-TOF LC-MS/MS、Orbitrap LC-MS/MS等。对于元素，一般用ICP-MS检测；对于极性较小，容易挥发的物质或者衍生化后具有挥发性的物质更适合GC-MS检测；而极性较大的物质更适合LC-MS检测。
06代谢组学的研究流程是什么样？
代谢组学研究流程包括实验设计、样本准备、代谢物提取、代谢物检测、数据分析及生物学意义阐述六步。
（1）实验设计
根据研究的生物学问题，查阅相关文献，确认哪些代谢物与课题相关，设立对照组与处理组，然后选择合适的代谢组学技术进行检测。
（2）样本准备
代谢组主要的样本类型包括：人或动物组织、血清、血浆、尿液、粪便及肠道内容物、细胞和菌体等。样本的采集应遵循一致性、代表性、迅速性、全程低温、样本足量的原则，注意分装，避免反复冻融情况的出现。不同的代谢组及不同样本类型样本量和生物学重复要求不同，具体如下：
不同样本类型更详细的取样方法，可参考本公众号往期内容：伯远医学非靶向代谢组学实验室收样指南。
（3）代谢物提取、检测在进行代谢物提取时，如果是组织、粪便等固体样本首先需要对样本进行研磨。研磨完成后，根据代谢物的分配系数、溶解度等理化性质选择合适的提取试剂。一般极性代谢物用甲醇或乙醇等提取，非极性代谢物用乙酸乙酯、己烷、氯仿等提取。对于少数代谢物，由于在样本中含量较低，或者在质谱中离子化效率低，需要进行衍生化处理。
（4）数据分析
代谢物经检测后得到原始数据，原始数据需要经过峰提取、峰对齐、去冗余、标准化、归一化等预处理后，才可进行分析。根据QC、CV、RSD等判断数据是否可靠，根据FC、P、VIP等筛选差异显著程度较高的代谢物，通过PCA、OPLS-DA、Heatmap、火山图、KEGG功能富集等让数据可视化。
（5）生物学意义阐述
对得到差异显著程度较高的代谢物及注释到的代谢通路进行背景调研，通过查阅书籍、文献，找到该差异代谢物可能存在的功能，从而对生物学意义进行阐述。
07代谢组学可以应用在哪些方面？
机体发生生理病理变化时，会引起代谢物的变化。所以可通过对代谢物进行检测分析，来研究疾病的发生发展。代谢组学在临床研究中应用方向包括：临床诊断、病理机制研究、临床用药指导等方面。下面我们从几篇文献案例中看一看代谢组学在这几个方面的应用。
（1）临床诊断
2023年3月20日，海南医学院科学实验中心张爱华研究员和海南医学院中医学院唐宋琪教授、谢毅强教授团队在Signal Transduction and Targeted Therapy（IF：39.3）上发表了题为”Small molecule metabolites: discovery of biomarkers and therapeutic targets”的综述论文。在这篇长篇综述论文中，作者参考了800篇文献，报道了帕金森病、乳腺癌等多个疾病的标志物（biomarkers）。其中β-丙氨酸、高丝氨酸、3-羟基犬尿氨酸、天冬氨酸、酪氨酸和鸟氨酸可能是帕金森病临床诊断的标志物。酪氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、丙氨酸、组氨酸和柠檬酸盐是早期乳腺癌临床诊断的标志物。棕榈酰胺和脱氧胆酸是克罗恩病的潜在标志物。5-羟脯氨酸是急性缺血性卒中临床诊断的主要生物标志物。
（2）病理机制研究
2024年3月5日，上海交通大学郑凌艳、段胜仲团队在Cell Metabolism（IF：29.0）上发表了题为”Lysine acetyltransferase 6A maintains CD4+T cell response via epigenetic reprogramming of glucose metabolism in autoimmunity”的研究性论文。在本研究中，作者通过RNA-seq、靶向代谢组学等技术，发现KAT6A缺失会抑制CD4+T细胞的过度增殖和异常分化。赖氨酸乙酰转移酶6A的是一种与自身免疫相关的表观遗传调控因子，可协调了CD4+T细胞中葡萄糖的代谢。体外促炎性CD4+T细胞亚群的增殖和分化需要KAT6A，缺乏KAT6难以感染自身免疫性结肠炎和脑脊髓炎。
（3）临床用药指导
2024年2月14日，西安交通大学吴岳、袁祖贻和美国国家卫生研究院癌症研究中心Frank J. Gonzalez团队在Cell Host &Microbe（IF：30.3）上发表了题为“A gut microbiota-bile acid axis promotes intestinal homeostasis upon aspirin-mediated damage”的研究论文。在本研究中，作者通过对人类和小鼠的宏基因组学和代谢组学分析，发现口服阿司匹林可消耗古氏副拟杆菌来降低肠道中BA 7-keto-LCA的含量。肠道微生物群与BAs之间的相互作用对维持肠道干细胞功能和肠道屏障具有重要作用。通过补充BAs和肠道共生菌改善肠道屏障功能受损和胃肠道疾病。
08伯远生物代谢组学服务
伯远生物已引进了Orbitrap Exploris 120超高分辨质谱仪、TSQ Altis Plus三重四极杆等质谱仪，推出了LC-MS非靶向代谢组学、脂质代谢组、能量代谢谱等代谢组学技术服务，已服务500+个项目。
参考文献
Oliver Fiehn. Metabolomics-the link between genotypes and phenotypes [J]. Plant Molecular Biology, 2002, 48:155-171.
Janet K. J and Erin S. B. A multi-omic future for microbiome studies [J]. Nature Microbiology, 2016, 49.
Shi Q , Ying C , Hong Y,et al.Small molecule metabolites: discovery of biomarkers and therapeutic targets [J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2023, 8:132.
JiaYao F, ShiJia H, BaoLi W,et al.Lysine acetyltransferase 6A maintains CD4+ T cell response via epigenetic reprogramming of glucose metabolism in autoimmunity [J]. Cell Metabolism,2024,36:1–18.
Ting L, Ning D, Hanqing G,et al.A gut microbiota-bile acid axis promotes intestinal homeostasis upon aspirin-mediated damage [J]. Cell Host & Microbe,2024,32:1-18.
