单细胞代谢组学：分析和生物学观点
影响因子
37.205 38.062
近年来，单细胞基因组学，转录组学，蛋白质组学和代谢组学的发展和应用激增。代谢组被定义为在特定的细胞，器官或生物体中发现的小分子代谢物的完整补体。单细胞代谢组学最有意义的潜在应用可能在于癌症领域- 例如，识别导致转移的循环癌细胞。预计单细胞代谢组学将受到影响的其他领域包括系统生物学，干细胞研究，衰老和耐药性的发展;更一般地说，它可以用来发现细胞应对化学或环境压力的化学策略。相对于其他单细胞“组合”测量，代谢组学提供了细胞功能（即表型）的更直接和动态的图像，但也可以说是最难测量的。这是因为代谢组可以在非常短的时间范围（几秒或更短时间）内对环境做出动态反应，因为代谢物的结构多样性和巨大的动态范围很大，因为不可能扩增代谢物，并且因为用荧光标签会扭曲它们的正常功能。
进展
尽管尚未获得基于单细胞代谢组学的深入生物学见解，但为实现这一目标已经采取了重要步骤。质谱（MS），质谱成像，毛细管电泳，光学光谱和荧光生物传感器的发展现在允许同时测定单个细胞中数百种代谢物，并具有对阿托咪隆范围的敏感性。现代阵列格式，特别是微流体平台，有助于我们快速且高吞吐量地执行此类测量的能力。最近的几项研究显示了如何从单细胞代谢组学中提取新的生物学见解。已经发现不同蜗牛神经元的代谢组的实质差异，例如在B1和B2型神经元中，在分离它们之后和过夜培养后立即发现。鞘糖脂可以用荧光标记标记，并且在与这样的缀合物孵育的神经元的裂解物中，来自它们的所有代谢产物都是荧光的并且可以被鉴定。用癌症药物治疗后，可以在淋巴瘤细胞和实体瘤中磷酸化3'-脱氧-3'-氟胸苷。可以遵循用2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）处理酵母细胞对代谢组的生物学效应。单细胞测量显示代谢物浓度的扩散比群体测量大得多的事实被用于确定许多代谢物- 代谢物相关性，其在2DG处理的酵母细胞中相对于对照改变。
外表
代谢组是表型异质性的极好指标，当人群遭受重大化学或环境挑战时，已被公认为稀有细胞存活的关键因素。然而，单细胞水平的代谢组学仅仅是成熟的。预期改进导致代谢组更完整的覆盖，更好和更快的代谢物鉴定以及无损测量。
摘要
目前对单细胞的广泛分子谱分析非常感兴趣;细胞的代谢组- 它的小分子代谢物的全部补充- 是单细胞表型多样性的直接指标，并且几乎立即读出细胞如何对环境影响作出反应。然而，由于快速的代谢动力学，分子的结构多样性以及无法扩增或标记小分子代谢物，代谢组在单细胞水平上很难测量。测量技术包括质谱，毛细管电泳，以及光谱学和荧光检测的较小程度，已经在单细胞代谢组学方面取得了令人瞩目的进展。尽管目前这些方法都不能完全，快速和无损地测量单个细胞的代谢组学，但进展已足以使该领域正在目睹从可行性研究转向产生新的生物学见解的研究。特别有趣的应用领域是癌症生物学，干细胞研究以及单细胞水平组织切片中异生素和药物的监测。
科学文献包含了大量的工作，其中大量的细胞被打开并均化以制备用于生物化学表征的样品，当然，从这些研究中已经学到了很多。但最近，已经有可能监测单个细胞中的事件，因此允许研究人员测试来自传统大规模分析的许多细胞状态的现有“平均”读数是否准确地代表了正在研究的各个细胞的行为。这种单细胞测量提供了丰富的信息- 有时是无法预料的，而且往往是先前被模糊的- 关于细胞如何响应干扰或信号。在这个特刊中，三篇评论提供
了对细胞调控的基本见解的实例，当可以测量单个细胞中的酶活性，转录反应或代谢状态时，这些实例被揭示。
单细胞测量的一个明显优势是能够测量单个细胞对相似或相同条件的响应中的变化或“噪音”。在很多情况下，可以监测细胞反应的时间过程。基因转录可能特别嘈杂，在一些细胞中发生RNA合成爆发，但不存在相同群体中的其他细胞。因此，这些系统的性质产生了根本性的问题。也许响应的变化有利于节约资源或确保某些细胞在不断变化的环境中生存。或者可能是少量分子的生物物理限制和工作中酶的特征决定了这种不可避免的变化。Sanchez 和Golding回顾了最近在模型系统中从细菌到动物细胞的工作，试图解决转录动力学是否编码在DNA启动子序列的结构中- 因此可能在整个基因组中变化- 或者通过物理或生物物理特性将在整个细胞中施加更多的全局约束。
Levine等人探索另一个以前隐藏的现象蛋白质激活的连续测量显示，许多人经历异步脉动响应，这在来自细胞群体的平均测量中是模糊的。他们讨论了蜂窝电路如何连接以产生这样的响应以及这种控制系统的优点。
Zenobi强调了方法学的进展，特别是在质谱中，可以对单细胞分子组分的丰度进行定量。为了表征个体细胞快速变化的代谢状态，目标是进行同步测量。但是，对广泛学科的新见解的承诺是持续努力，以挖掘隐藏在单个细胞范围内的大量新知识。
每个人都是不同的，这种个体表型是基于遗传，表观遗传，发育和环境的差异。克隆或同基因文化中的细胞，其成员都来源于一个共同的祖先？即使在这种情况下，由于环境影响（包括细胞周期），原始细胞的年龄以及影响培养物中单个细胞表型的其他因素，表型也有差异。设想一个假设的情况，即克隆群体中的所有细胞都完全同步并在完全相同的条件下生长。即便如此，经过一段时间后，人群中也会出现不同的表型，这通常是随机生物过程的结果（图1A）。生物学背景中的“随机”是指生物化学反应进行的速率中的不规则性或“噪音”。对于涉及非常少量或单个分子的过程，例如DNA转录和蛋白质表达，这一点非常明显（1）。为了评估产生的表型的差异，单细胞测量是必要的;人口测量结果只产生平均值（图1B）。组织分层也可能需要单细胞测量。例如，神经元是一种细胞类型，其中功能需要个体差异。激励哺乳动物中的单个神经元可以启动胡须的运动，改变学习，从而影响整个有机体的行为。即使在复杂的感觉神经元集合中，单个神经元也具有不同的受体区域，因此是不同的。
近年来，单细胞分子分析的开发和应用急剧增加[关于以代谢组学为重点的综述，见（2-8）]。代谢组可定义为特定细胞，器官或生物体中发现的小分子代谢物（分子量小于?2kD）的完整补体（9）。就目前而言，代谢组（图1C）包括内源性以及外源性小分子[如丙酮酸，乳酸，糖，腺苷一磷酸（AMP），二磷酸腺苷（ADP），三磷酸腺苷（ATP）等] ，药物及其代谢物（通常称为异生素）和脂质，以及不是蛋白质降解产物的肽（例如，在细胞信号传导中重要的神经肽）。具有短序列的核酸可能具有分子量的优势，但它们被认为是细胞转录组的一部分，而不是代谢组。盐不被视为代谢物。
细胞的基因型描述了它的“潜力”，而表型描述了它的功能，但是两者之间的联系往往是模糊的（10）。相对于单细胞基因组学，转录组学或蛋白质组学，代谢组学提供了细胞功能（即表型）的最直接和最动态的图像，但也可以说是最难以测量的：尽管基因组或多或少静态，并且转录组和蛋白质组在几分钟到几小时的时间范围内发生变化（11），代谢组在几秒甚至几毫秒的时间范围内对环境影响作出反应（12）。这种快速动态是单细胞代谢组学的主要挑
战之一。它需要一些协议来猝灭研究细胞的新陈代谢，因为他们经历了样本制备本身作为环境压力并会对其作出反应（13）。其他挑战包括包含代谢组的化合物的巨大结构多样性（图1C），大动态范围（从每个细胞的几个分子到更大细胞中的主要代谢物的1010个分子），我们无法扩增代谢物（如通常用DNA完成）以及避免荧光标记的需要：极少数代谢产物是自发荧光的，附着标签在大多数情况下会阻止代谢物发挥其生物学功能。
检测和了解癌细胞是单细胞代谢组学最有意义的潜在应用之一（14,15）。在正常代谢的许多其他癌症细胞中，包括导致转移的循环癌细胞的癌症细胞的检测将是这样的应用之一。在癌症治疗的框架中，人们可能会发现组织中对药物治疗产生抗药性的细胞，或者更普遍地，发现一些细胞如何成功地应对化学或环境压力，而另一些细胞却死亡的化学策略（16）。单细胞代谢组学的其他潜在用途（相对于其他“组学”方法）是获得细胞代谢数学模型的输入和输出数据（17），更多地了解老化（18,19），并预测干细胞的发育命运。
单细胞代谢组学数据已经产生了深刻的生物学洞察力吗？我会争辩说，情况并非如此。其中一个原因是研究代谢产物通常不能跟随随机性。来自随机生化过程的代谢组只有间接的且通常很小的作用。此外，重要的代谢物出现在细胞中代谢网络的众多节点中;即需要主要代谢物之间的多重相关性以获得任何见解，或者需要对具有高度专业化作用的稀有和低浓度代谢物进行精确测量，这是困难的。然而，下面讨论的一些研究（20-23）已经增强了我们对生物系统的了解。
这篇综述主要关注快速发展的分析方法学，但也讨论了如果代谢组学数据是在单细胞水平上而不是从总体平均数据中收集的（图1B），如何在代谢组学中收集代谢组学数据在许多单细胞中可以提供有关细胞变异性的原因和后果的新信息，以及这些变异是适应性的，表观遗传现象还是生物化学的基本性质。
单细胞代谢组学的一般注意事项
除非样品是细胞悬液，否则取样的第一步（2,6）是从显微镜观察下有机物分离适当的细胞，有时人工完成。一旦细胞分离出来，一些方法直接对单个细胞进行取样;其他涉及细胞培养，例如，在微流体装置中。如上所述，一个主要问题是合适的样品制备，不会破坏待研究细胞的代谢。解决这个问题的一种方法是尽可能长时间地将细胞保持在本地环境中。文献中已经提出了许多非常成功的微流控芯片，它们可以轻柔地捕获细胞（24-27）。这些微流体平台的关键功能是分离细胞，在良好控制的条件下培养它们，将高度定量的化学品注入生长培养基中，并选择性释放细胞进行分析，这可能涉及片上裂解步骤（28）。另一种选择是在对细胞进行测量（23）以猝灭新陈代谢之前将细胞震荡冷冻。
另一个问题是所需的灵敏度。细胞大小差别很大。典型的哺乳动物细胞直径约10微米（体积= 1微米）;海参Aplysia californica的巨大神经元，经常用于早期单细胞研究，因为它们可以在显微镜下手动操作，可以达到500μm。大小范围的另一端是模型生物，如酵母（直径≈5μm）和直径约1μm（体积= 1 fl）的细菌。假设代谢物浓度为1 mM，那么需要在这些微小体积中检测到的绝对量在1 amol至1 fmol范围内，即使对主要代谢物来说也是具有挑战性的。有趣的是，浓度敏感性不是问题：在6-fl细菌细胞内存在单个分子转化为0.28nM 的浓度;也就是说，通常不需要测量低于纳摩尔浓度的浓度。
此外，细胞通常在富含分子的培养基中生长，所述分子与代谢物相似或甚至相同。因此，区分周围介质中的代谢物（足迹）和细胞内的代谢物（指纹）是至关重要的。
最后，用于采样细胞的高通量格式显然是必要的;对单个细胞的孤立测量可能在生物学背景中意义不大（尽管如果单个细胞可以在其形态学和分子方面进行精确和连续分析，则可以从该单个细胞获得生物学洞察）。为了产生统计上显着的数据，通常需要数百或数千次测量，这是另一个挑战。已经开发了许多能够实现高吞吐量询问许多单细胞的策略。经典的高通量格式是流式细胞术及其修饰，如荧光激活细胞分选（FACS;图2A）。然而，流式细胞术测量通常与代谢物无关，并可用于将细胞培养物分离成随后分析的两个或几个亚群。因此开发了特殊形式的细胞计量学测量- 例如，流式细胞仪样品递送后的质谱读数（29）。其他高通量格式包括受控数量的细胞（30）和许多不同的芯片实验室设备（31）的微阵列印刷。图2B（24）显示了Di Carlo和Lee开发的一个允许温和诱捕的平台。许多U形流体动力捕集结构允许单个贴壁细胞的排列培养和同时控制流体灌注和单个细胞的均匀环境。电池装载可以在不到30秒内完成。
高密度芯片也可用于通过质谱（MS）进行测量。如下所述，MS是单细胞代谢组学最成功的方法之一- 然而，这意味着高通量制备单细胞样品成为瓶颈。一种可能的解决方案涉及MAMS（质谱芯片）芯片（32），如图2C所示。MAMS芯片的一个非常有吸引力的特征是，表面上的“全憎”聚硅氮烷涂层包围的亲水孔允许通过简单地将液体拖到芯片表面上而自动分离含有来自细胞悬浮液的单个细胞的小体积。这种MAMS芯片的当前版本允许填充10,000到50,000个井并随后进行分析; 每孔的细胞数量由泊松分布给出。
准备单细胞样品进行分析
微流控
虽然微流体本身不是一种分析方法，但微流体装置在通过光学光谱，质谱或其他方式显示单细胞样品进行读取时非常有用。微流体装置的工作是运输，固定，培养，注入试剂，保持观察，并以高通量方式检索单细胞。在所有情况下，使用以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为材料的微型软光刻，格式包括膜片钳阵列（33），动态单细胞培养阵列（24）和集成微流阵列板（iMAP）（34）。动态单细胞培养阵列（图2B）允许许多单个贴壁细胞的排列培养物（在约1mm 2的视野中?100）。诱捕是被动和自行终止的，一旦一个地方充满细胞，充满地点周围的变化的流体动力学流动阻止其他细胞进入它。该装置至今尚未用于化学测量，但似乎提供了非常温和的生长环境，如在阵列上灌注培养24小时后HeLa细胞的高存活率（95％）所示。iMAP阵列基于重力驱动流动和沉降捕获细胞，捕获率接近100％。它具有开放的流体交换通道;基因表达，蛋白质免疫测定和细胞毒性数据可以平行进行。
另一种策略是基于流体阻力的动态微流体阵列（25）。流动通道具有类似曲流的形状，并带有一些额外的小型“隔间”（流体动力学陷阱），细胞被动地捕获。为了选择性地从这样的海湾释放珠子或细胞，通过激光加热单个陷阱附近的Al图案来产生微泡。作者写道，加热对所研究珠粒的完整性无关紧要（Al结构达到> 130°C的温度），但人们可能不得不担心暂态温度跳跃作为一种环境影响细胞的代谢组会发生反应。尽管迄今为止这种设备的开发和操作只能使用珠子而不是使用电池，但有100个物体可能被困住并单独处理。对于单细胞分析，这种微流体装置将以介质作为循环液体进行操作，并用于将可寻址的细胞递送至随后的分析（例如通过质谱）。
微室阵列不仅可用于单细胞分离，而且可用于细胞内生物分子的分析。这种设计基于PDMS 阀门，封装容积为?625 pl的圆形储存器中的单个电池。这些微室可以快速和可逆地打开和关闭;这样的设计允许用单细胞进行孵育，洗涤，标记和裂解步骤（35）。裂解物仍保留在小容积的微室中;虽然稀释仍然存在，但是它受到控制和限制，使得可以逐个细胞地直接研
究各种目标分析物。该格式已用于分析辅因子NADH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）及其磷酸NADPH，并用于许多细胞内生物分子的定量测定，包括化合物如人胚胎肾（HEK）T细胞中的环AMP（cAMP）Rex细胞的生产受到激素类黄体生成素的刺激（36）。Attomole 量的cAMP（250至1000 amol，随着受到lutropin刺激的水平而增加）被检测到。由于使用竞争性酶联免疫吸附测定法（ELISA）进行检测，这种形式提供了相当于单细胞免疫测定法。
还有许多其他微流体格式可用于单细胞捕获，培养和移植到分析[更多信息，请参阅（31,37-39）]，尽管在许多情况下这些微流体并非专门用于获取代谢物的化学信息。有些形式允许进行非常有趣的显微观察，例如观察芽殖酵母细胞在其整个寿命期间的衰老过程（19），其揭示了显着的与年龄相关的表型变化和细胞衰老和细胞凋亡的显着异质性。然而，这不是代谢组学研究，对于大多数其他微流体平台也是如此：在代谢组学方面，它们的有用性是观察和分类单个细胞，在微流体装置内刺激它们，并且以快速传递它们控制后续分析步骤，以确定代谢物。
纳米器件
纳米级装置可用于操控单细胞或以受控方式将化学物质输送到细胞中。纳米线波导为基础的方法允许单细胞光学内窥镜（40），一个空心原子力显微镜（AFM）探针可以插入细胞壁，用于提供液体进入细胞质（41），并已使用纳米通道将精确量的生物分子输送到活细胞中（即一种精确的转染技术）（42）。正如（43）中总结的那样，纳米级器件也正在开发中用于分析细胞，例如光学上通过近场方法，通过原子力显微镜，或电化学方法通过扫描电导显微镜。尽管大部分相关文献都提到了高通量操作的潜力，特别是其需求，但大多数这些纳米级方法目前缓慢，连续并且难以控制。
鉴定单细胞代谢物的分析方法
质谱
质谱（MS）正迅速成为超灵敏和同时检测单细胞水平上许多代谢物的最广泛使用的方法之一。无标签，高度敏感和信息丰富，MS早在该领域就有所贡献。MS可以用作流式细胞仪的检测器（29），具有在几分钟内输注数百个细胞的能力。在大鼠腹膜肥大细胞中检测到组胺（0.75±0.33fmol）和5-羟色胺（0.11±0.06fmol），然而，每种细胞中两种胺的量没有任何明显相关性。A. californica的巨大神经元（20,44）提供了处理非常大的细胞的容易性。具有超过300个不同细胞相关信号的大数据集的主成分分析揭示了各种海兔神经元的代谢组中的显着差异- 例如，在B1和B2型神经元中- 在分离它们之后和过夜培养之后。也有可能确定分离的神经元中几种代谢物的绝对浓度。例如，细胞内谷氨酸浓度在一种神经元中为11mM，在另一种神经元中为4mM。这种特殊的策略涉及到毛细管电泳（CE）和MS，这为鉴定和检测代谢物提供了一种非常有效的方法（44）。
在现代电离方法中，基质辅助激光解吸/电离（MALDI）对于单细胞分析具有足够的灵敏度。然而，在≤500道尔顿范围内存在强烈的基质信号对于代谢组学来说非常重要。因此制定了一些策略来规避这个问题。基于纳米光子效应的基于无基质的电离方法是可用的- 例如，使用来自多孔硅（DIOS）或硅纳米柱阵列（NAPA）的解吸电离，其在一些实验室的手中具有亚毫微摩尔的灵敏度，或甚至亚阿托摩尔范围（45,46）。NAPA-MS揭示了应激和对照酵母细胞群体的代谢差异（47）。灵敏度足以以半定量方式确定由1到80个细胞组成的样品中的代谢物，并且可以将100多个峰指定给各种代谢物，代表约1200种已知酵母代谢物的?9％。在氧化应激之后，观察到谷胱甘肽，半胱氨酰甘氨酸，谷氨酰半胱氨酸和尿酸盐（等等）的上调，而与叶酸生物合成有关的化合物，例如氨基-4-脱氧分叉酸或磷酸二氢喋呤，被下调，表明细胞将资源从增长转向压力。
另一种策略是使用仅生成少量明确信号的MALDI矩阵。一个优秀的化合物是9-氨基吖啶（9-AA），它具有促进负离子形成的附加好处（48）。这对于检测其去质子化形式的代谢产物很有用，如小型有机酸或磷酸化化合物。已经使用9-AA（49）显示了酵母中代谢物的单细胞检测灵敏度，并且在随后的单细胞研究中使用了相同的基质（4,50,51）。负离子模式MALDI和9-AA允许在单一酵母细胞中检测26种不同的代谢物（23）。在这项研究中用MAMS 芯片测量了数百个细胞，测量了2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）对代谢组化学干扰的影响（图3A）。单细胞测量显示代谢物浓度相对于群体测量显示更大的分布的事实被用于确定许多代谢物- 代谢物相关性，在2DG处理的酵母细胞相对于对照的情况下，相关性被改变。
或者，可以使用基于电喷雾电离（ESI）的方法。开发了一种称为激光消融电喷雾电离（LAESI;图3B）的方法，用于在大气压力下对单个细胞进行原位质谱分析（52）。通过将基于GeO2的玻璃纤维的蚀刻尖端递送中红外（IR）激光脉冲（被样品中的水吸收）实现单细胞探测，并且将激光消融产物后离子化为纯溶剂ESI羽流。代谢分析是从单细胞和小细胞种群葱属和水仙pseudonarcissus灯泡表皮，以及单个鸡蛋Lytechinus pictus实现的。在检测到的A. cepa 的332个峰中，有35个被指定为代谢物，借助于精确的质量和MS-MS测量。不同色素沉着的相邻细胞的代谢物分布差异可以用于假鼻疽假单胞菌的鉴别; A. cepa显示代谢差异是细胞年龄的函数。然而，这些植物物种的细胞相当大，大约70×400μm。一种完全不同的基于ESI的方法被称为活单细胞视频质谱法（53,54），包括在视频显微镜观察下将电喷雾针插入细胞，去除一些细胞质，然后通过相同的针直接电喷雾液体到环境入口质谱仪（图3C）。该方法甚至能够区分细胞质特异性和颗粒特异性信号，例如显示大鼠白血病肥大细胞系（RBL 2H3）模型的亚细胞代谢物分布的差异。在植物组织（来自Pelargonium zonale，天竺葵）中鉴定出约1000个属于代谢物的峰，并且高分辨率MS，串联质谱法和数据库搜索的组合对于超过20个信号产生初步分配（55）。然而，这种方法很难称为高吞吐量。取样细胞的内容仍然是手动完成的，并且很困难，质谱分析是在第二步中离线进行的。充其量，每小时可以分析几个单元。
质谱成像
质谱成像（MSI）在这里单独处理，因为样品制备和分析的方式完全不同（56）。使用MALDI 和二次离子质谱（SIMS）成像。在研究级MALDI-MS仪器上，MSI现在可以在环境压力下以<1μm（57,58）的空间分辨率完成，并具有非常高的质量准确度和质量分辨率（59）。这对应于多种细胞的亚细胞分辨率。为了产生足够的每个点的信号，空间分辨率通常选择较低，范围在5到30μm，这也是具有成像能力的商用MALDI仪器获得的空间分辨率（60）。MSI 能够检测和鉴定各种代谢产物，并且常用于组织切片，其中逐个细胞的区别是可行的。MALDI-MSI的主要应用之一是药物及其代谢物在组织切片或甚至整个动物薄切片中的可视化。尽管单细胞分辨率原则上是可用的，但为了提高数据采集的速度或者因为它不是必需的，它通常不用于这种研究。例如，在肺结核感染的兔肺组织切片中，二线结核药物莫西沙星在给药后几个时间点的分布成像（61）。观察到该药物在肉芽肿病灶中累积的数量高于周围肺组织中的数量，在肉芽肿内分布不均匀;在相对于细胞肉芽肿区域的情况下观察到非常低的量。
纳米结构- 引发剂质谱（NIMS）成像已被用于跟踪个体癌细胞和癌症异种移植物对化疗的反应（22）。在用雷帕霉素或FLT处理样品后，在淋巴瘤细胞和实体瘤中进行3'-脱氧-3'-氟胸苷（FLT，胸苷类似物）的磷酸化作用至FLT单磷酸（FLT-MP）。虽然FLT易于从细胞中转运出来，但FLT-MP并非如此，它的积累可作为治疗细胞药物诱导代谢变化的间接指标。还对许多细胞提取物进行了互补液相色谱串联质谱（LC-MS / MS）测量，结果一致。
二次离子质谱成像能够以亚细胞分辨率[低至<100nm（62-64）]产生复杂表面的化学图谱，例如组织切片或细胞培养物。在SIMS中，通常必须在非常高的空间分辨率和检测完整分子种类的能力之间找到折衷：具有能够小于100nm分辨率的高度聚焦的初级离子束的SIMS通常以“动态SIMS”模式操作（即，a高的一次离子剂量对于产生足够的信号是必需的）。但是，这对于较大的有机分子的完整性是不利的。有报道称MALDI成像与SIMS相结合，如果需要，后者提供更高的空间分辨率（65）。两者都允许无标记和同时测定异生素及其代谢物的身份和分布以及组织中的内源性物质。这是全身微量放射自显影的一个有趣的扩展，消除了对放射化学的需求并提供了分子特异性信息。
质谱分析的共同之处在于，在所有提供的分析方法中，它们产生关于所检测化合物的最详细信息。一个好的策略是使用精确的质量测量（59），它经常将信号的可能元素组成限制为仅有的或理想的唯一总和公式（参见方框1）。有时串联MS（MS / MS）甚至可以对来自单个单元（55）的信号执行，但通常这是不可能的，因为信噪比不足。或者，假设在单细胞数据中出现相同的化合物，则可以对来自较大样品的相同的，精确测量的质荷比（m / z）信号进行MS / MS分析。MS / MS可能并不总是提供所寻求的信息。例如，不同的磷酸化碳水化合物表现出非常相似的MS / MS谱，因此可能不能通过质谱法区分。最后，越来越多的数据库列出了各种物种的代谢物（方框1）。在数据库中查找假定的代谢物肯定有其优点，特别是对于自动化数据解释，尽管它对探索识别新代谢物很少帮助。
基于荧光的检测，荧光生物传感器和FRET生物传感器
荧光显微镜原则上是优良的，敏感的，无损的且广泛可用的方法来对单个细胞成像，并且与荧光标签组合，还可以提供化学特异性。使用现代图像处理技术，以高吞吐量的方式获取信息非常简单。然而，很少代谢物是自发荧光的;例子包括检测红酵母中的类胡萝卜素（66），通过自发荧光光谱和衰变动力学（67）区分组织中的肿瘤细胞，或与光合反应中心II和光系统II的内部触角有关的叶绿素色素的定位在藻细胞中（68）。将荧光标记附着到低分子量代谢物上证明是非常有创意的：荧光标签本身会干扰代谢物的生物化学功能。因此，需要根据代谢物的存在或浓度提供间接荧光读数的方法。荧光蛋白（FPs）的“智能”设计可以多种方式用作生物传感器（69）：通过小分子配体与FP结合激活荧光，通过诱导FP的构象变化代谢物，通过多于一个FP部分的寡聚化依赖性荧光，或通过两种不同FP的福斯特共振能量转移（FRET），由代谢物的结合激活。通常这种格式被称为“纳米传感器探针”。
存在许多基于荧光的方法来检测AMP，ADP或ATP-例如，其中在ATP存在下二聚甲基胺配体，萘二甲酰亚胺发色团和Zn（II）中心形成荧光复合物的测定法（70）。高斯托克斯位移（> 70 nm），高荧光量子产率，对其他有机和无机磷酸盐的良好选择性以及低至1μMATP 的灵敏度是一些关键特性。荧光检测的一个问题是荧光信号容易受到环境变化（例如，通过改变pH，温度或溶剂极性）而受到干扰。涉及同时测定不同波长的两种荧光信号的比率测量可避开这些问题，并为定量测定提供更高的精度。FRET的结合诱导调制是比率测量的可能实施例。这种FRET生物传感器可用于检测核苷多磷酸盐（71）。它表现出良好的灵敏度（ATP为“1μM）和优异的线性度;作者能够在用20mM 2-脱氧葡萄糖和1mM KCN处理后，遵循人类癌症（HeLa）细胞系中细胞的能量电荷。然而，问题是选择性有限：报道了一系列核苷多磷酸与FRET传感器分子的结合。
有很多困难使得荧光显微镜更不适合真正的代谢组学：遗传编码的纳米传感器探针仅存在于少数特定的小分子中[72]，表达间接荧光检测的生化机制相对复杂。通常需要繁琐的优化，
特异性和光学对比有时不令人满意，并且遗传修饰可能影响这些细胞的天然生理学。另外，可以同时成像的不同荧光报道标签的数量是有限的（约10）。事实上，文献似乎没有包括同时检测多种目标代谢物的报道;然而，真正的代谢组学需要数十到数百个。另一方面，荧光对超灵敏检测非常有用，降至单分子水平。已经显示了通过微流体处理的个体细胞中的蛋白质（1,73），并且是检测单个细胞中小拷贝数蛋白质表达随机性的关键方法。在CE分离细胞化学成分后，超灵敏检测也非常有效（21,74,75）。
振动光谱学
在某些情况下，振动光谱可用于区分单个细胞中的某些代谢物（76）。与通过荧光标签进行检测相反，振动光谱学是无标记的，因此适用于光谱活性化合物（例如颜料），只要它们以足够高的浓度存在即可。一个例子是β-胡萝卜素通过其1150和1515 cm-1拉曼带在细胞分裂藻细胞中的亚细胞分辨率（?550 nm /像素）的定位（68）。在这种情况下也记录了互补的单细胞MS数据。显示了β-胡萝卜素和含有光系统II的内部触角的质体的共定位。基于同步加速器的红外光谱仪具有多个低发射率光束和一个大焦平面阵列探测器，用于在中红外区实现540 nm的像素尺寸，比传统热或同步加速器的可能尺寸小约两个数量级IR来源（77）。例如，从具有单细胞分辨率的CH3拉伸（2950cm-1）和酰胺I（1654cm-1）模式的图像可获得详细的光谱信息，所述图像在具有慢性炎症的癌性前列腺组织的薄切片上。已通过FACS 从活组织的活检组织中分离出角膜上皮细胞;将这些细胞分成假定的干细胞（SC），转运放大（TA）细胞和终末分化（TD）细胞（78）。光谱（1080和1225 cm-1）和一些蛋白质区域（1443 cm-1）的DNA区域主要区分TA细胞和TD细胞的SC，而酰胺区和脂质（1550,1650和1740 cm-1）用于区分TA细胞和TD细胞。受激拉曼散射显微镜技术（79）可以通过它们在2845 cm-1处的饱和CH振动，蛋白质在1655 cm-1处它们的酰胺I带或由它们的785和1090核酸显现各种生物分子（例如脂质）cm-1带。采用这种技术可以实现200nm左右的像素尺寸;即亚细胞空间分辨率是可能的。振动光谱学的显着特点是绝对不需要对细胞进行染色或标记。另一方面，光谱对于代谢物并不是特异性的，而是揭示了所有高度集中且具有光谱学活性的化合物。这经常导致IR和拉曼光谱的光谱拥塞，这使得它们不适合用作代谢组学的工具。
基于分离的化学分析
毛细管电泳和毛细管液相色谱一直用于包括柱分离的单细胞研究，显然它们可以处理的体积很小。在毛细管分离和伏安以及荧光检测（80）后，可以检测大型蜗牛神经元中数十个飞摩尔量的代谢物，包括氨基酸和神经递质，甚至可以检测血清素与安培计的亚甲基偶极子检测极限报道（81）。这种方法目前最成功地用于单细胞蛋白质组学（82,83），尽管一些代谢物的应用已经出现在文献中（84-86）。具体而言，已经报道了单神经元中具有一（74），二（21）和三色（75）荧光检测（图4）的糖鞘脂的定量研究。总体策略是用荧光团标记一种或多种糖脂[例如哺乳动物神经节苷脂GM1和（21）中的乳糖苷神经酰胺]，用这些缀合物孵育细胞，并通过荧光产物的出现遵循糖脂分解代谢和合成代谢。通过将单个细胞抽吸到毛细管中，将它们溶解在其中并通过CE分离代谢产物来鉴定这些。考虑到标记的鞘糖脂的迁移时间略微不同，可以通过与标准化合物比较来鉴定。大约有十几种代谢产物被鉴定出来，并且单个细胞显示出标记的鞘糖脂的摄取大不相同。达到六个数量级的动态范围和约106个理论塔板的分离能力。对于用硼二吡咯甲烷（BODIPY）荧光团标记的糖鞘脂，根据标签的确切性质，可以获得34±1至67±7个分子的极端灵敏度。显然，引入的不同荧光团的数量越多，可同时进行的代谢途径越多。然而，这些限制与许多不同荧光通道的同时检测以及由相当庞大的荧光团的存在引起的代谢本身的干扰相同。
将CE分离与MS检测相结合也是一项非常强大的技术（20,44,48）。例如，无鞘CE-ESI-MS 界面允许检测大肠杆菌提取物中接近20种代谢物，对ADP-核糖的灵敏度范围从20 nM（?
0.8 fmol）到α-酮戊二酸的2.5μM（48）。CE-ESI-MS对单个神经元的定性和定量代谢组学研究也有报道（20,44,87）。
讨论和展望
细胞群体中表型异质性的化学特征是只能通过单细胞测量评估的性质。它似乎是一个可演化的特征，代谢组是细胞培养的单个成员如何对刺激或环境压力作出反应的最直接指标。通过精确分析细胞条件（外部和内部，例如通过光学显微镜）并将这些数据与代谢组学数据进行比较，可以获得生物洞察力。然而，表型异质性的根本原因几乎不是代谢，而是遗传，表观遗传或基于随机过程。现在已经确定，表型异质性提高了罕见细胞的存活率（88,89）;换句话说，“极端”表型可能拯救遭受重大化学或环境挑战的整个人群（如药物剂量）。代谢组学有望成为鉴定这些细胞的好方法，但理想情况下来自同一细胞的基因组和蛋白质组学数据也应有所贡献。然而，为了从同一个细胞中提取基因组，蛋白质组和代谢组，目前存在很大的实验困难;迄今为止，还没有实验协议可以实现这一点。一个近似值可能是从一个或几个细胞中生长出微生物，这些细胞已经在一定的微扰下存活下来，并且在这个微培养物的等分试样上与基因组学，转录组学和蛋白质组学一起进行代谢组学。那么问题在于微生物的异质性是否也会在这种微观文化中发展，并且速度如何。这个问题可以用高通量单细胞分析来解答（图5）。
MS和分离显然是最成功的单细胞代谢组学方法，无论是在代谢组学和速度方面。已经发现了数百种代谢物信号，尽管通常来自相当大的细胞，例如蜗牛神经元或植物细胞。从较小的细胞（酵母，细菌）鉴定更困难。鉴定相对繁琐：需要比较电泳测量中代谢物和标准化合物的洗脱时间，以及从大量细胞中获得的信号（包括与MS / MS中的标准品进行比较）。不幸的是，MS和CE都具有破坏性;荧光和光谱方法检测代谢物非破坏性只涵盖单一或极少数代谢物。此外，除一些高分辨率成像方法外，目前的单细胞分析无法区分亚细胞区（如膜，细胞质或细胞核）中化合物的分子位置。这导致对单个单元格进行平均，并且从这个意义上来说，限制了当前的方法。
单细胞代谢组学对于系统生物学和医学诊断有着更多的进一步要求：（i）代谢组学更广泛的覆盖范围。即使对于酵母等模式生物[酵母代谢组的大小是1168种化合物（90,91）;在酵母代谢组数据库中，www.ymdb.ca，列出了2027个小分子]，目前可用的最佳方法的覆盖率<10％的完整代谢组。（ii）更快地识别单细胞数据中的代谢物，以及高吞吐量的一般测量。最近引入的大规模细胞计数方法（92），其中使用标记有不寻常元素（镧，铈，铒，镱等）的抗体来编码细胞的特定抗原，如果合适的抗体或适体可以是找到。（iii）发现新的或未知的代谢物的方案。（iv）无损代谢物测量。针对最后挑战的一种可能的策略是两步法，其中首先使用具有大化学范围的代谢组学方法来确定指示例如疾病状态的关键化合物，然后开发和实施非破坏性荧光纳米传感器专门针对这些关键化合物。
图。1
细胞培养中不同表型的发展。
（A）表型变异的原因可以从遗传差异到随机过程。（B）仅在单细胞测定的情况下显示双相性的相同参数（例如，代谢物浓度）的群体平均值（灰色条）和单细胞测量值（白色和黑色条）的假想直方图。（C）代谢物的一些例子，说明了由代谢组学涵盖的化合物的大的结构多样性。
图2
高通量制备单细胞进行化学分析的方法。
（A）使用与细胞表面抗原结合的荧光抗体（这里是CD45RA与CD4）对人骨髓细胞进行流式细胞术。图中的每个点都来自单个单元格。（转载自（92）]（B）微流体单细胞捕获阵
列。左上角：越来越高的放大率描绘了细胞捕获装置整体（比例尺，500μm;细胞和介质流从左边进入）。左下：具有陷阱细胞的捕获阵列的高分辨率明场显微照片。右下：放大显示一个被困细胞的细节。诱捕是一个温和的过程，在常规施加的压力下没有观察到细胞变形。右上图：捕捉设备和机制的示意图（未按比例绘制）。[转载，来自（24）]许可，（C）用于质谱（MAMS）芯片的微阵列。比例尺，1440μm;单个孔的直径为300μm。在MAMS阵列上放置一个1“x 3”显微镜载玻片，可以放置2860个孔。莱茵衣藻藻细胞;用LS 400扫描仪（Tecan，M?nnedorf/瑞士）测量叶绿素荧光读数。[图片由苏黎世ETH苏黎世的Jasmin Krismer和苏黎世功能基因组学中心的Jens Sobek提供]
图3
通过质谱法分析单细胞水平的代谢物，显示了该方法的能力。
（A）用2DG处理的单个YSBN.6（酿酒酵母）细胞（m / z = 70至900）的全扫描负离子模式MALDI质谱;测量发生在2DG进入生长培养基的峰值后1分钟。插图显示两个光谱：（i）m / z = 100至180; （ii）m / z = 330至350. [许可转载自（23）]（B）来自NAPA的单一酵母细胞在代谢物质量范围内的LDI质谱。~24个推定代谢物中的四个被标记。插图：在LDI-MS分析之前沉积在NAPA底物上的单个酵母细胞的AFM图像。（C）全谱图（m / z范围100至1000）的实例和从叶细胞的纳米电喷雾尖端提取的天竺葵单细胞内容物的照片。（D）MALDI 飞行时间（MALDI-TOF）成像从培养的蹬踏神经元的细胞培养样品中以MS和MS / MS模式检测强的神经肽信号。自动产生的m / z 1540的MS / MS峰值分配产生对应于海兔蹬踏肽PLDSVYGTHGMSGFA的已知氨基酸序列的序列。[经许可从（60）转载]
图4
基于分离的神经元细胞代谢物检测。
（A和B）通过毛细管电泳分离和荧光检测来自用BODIPY染料标记的糖鞘脂LacCer的代谢产物，以全标度（A）和扩大标尺（B）示出。未知组件标有“？”。对于不同的细胞可以发现很大程度不同的代谢物。[经许可从（21）转载]
图5
高通量筛选展示三种不同表型（白色，灰色，黑色）的许多单个细胞的示意图。
施加压力（例如营养限制或药物治疗）后，只有黑细胞存活。来自这些幸存细胞的新的微培养物可以发育成具有统一表型（所有黑色子代细胞）的群体，或者更可能发育成具有不同表型的群体。
二问答题：1 、兔子吃的草中有叶黄素，但叶黄素仅在兔子的脂肪中积累而不在肌肉中积累。发生这种选择性积累的原因在于这种色素的什么特性？A ：叶黄素是脂溶性色素，易溶于油脂和极性溶剂，而极难溶于非极性物质中。2 、牛能消化草，但人不能，这是因为牛胃中有一种特殊的微生物而人的胃中没有，你认为这种微生物进行的是什么生化反应？如果用一种抗生素将牛胃中的所以微生物都消灭掉，牛会怎么样？A ：分解反应；消化不良，严重的可能会导致死亡。三名词解释：1 、原核细胞：细胞内遗传物质没有膜包被的一大类细胞。不含膜包被起来的细胞器。2 、真核细胞：细胞核具有明显的核被膜包被的细胞。细胞质中存在膜包被的细胞器。3 、信号分子：信号分子都是一个配体，即一个能与某种大分子专一结合的较小分子，它与受体结合后往往使受体分子发生形状上的改变。4 、受体：能与细胞外专一信号分子配体结合引起细胞反应的蛋白质。5 、细胞通讯：细胞通讯是指在多细胞生物的细胞社会中, 细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制, 并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动, 而后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动, 使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出综合反应。6 、细胞骨架：真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络。包括微管、微丝和中间丝。7 、细胞外基质（ECM ）：由细胞分泌到细胞外间充质中的蛋白质和多糖类大分子物质。构成复杂的网架，连接组织结构、调节组织的发育和细胞生理活动。【ECM 主要成分是细胞分泌的糖蛋白，主要是胶原，它在细胞外形成粗壮的丝】问答题：1 、原核细胞和真核细胞的差别关键何在？A ：有无成型的细胞核。【原核细胞最主要的特征是没有由膜包被的细胞核。原核细胞的形态结构比较简单，内含有细胞质和类核，外面包有质膜，多数在质膜外还有一层硬的细胞壁，使细胞保持了一定形状。真核细胞最主要的特点是细胞内有膜把细胞区分成了许多功能区。最明显的是含有膜包被的细胞核，此外还有由膜围成的细胞器，如线粒体、叶绿体、内质网、
代谢组学的研究方法和研究流程分子微生物学１12３０0０0３林兵 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施，基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用，与此同时, 代谢组学(ｍｅtaｂoloｍiｃs）在2０世纪90年代中期产生并迅速地发展起来，与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用，它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律.这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障. 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Ｊereｍｙ N ichｏｌson教授提出的，他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统，机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。20０0年，德国马普所的Fｉeｈn等提出了代谢组学的概念，但是与Ｎ ichoｌs ｏn提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程，也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。同时Ｆieｈn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类: 代谢物靶标分析，代谢轮廓（谱)分析, 代谢组学，代谢指纹分析。现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的定义: 代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。 与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同, 代谢组学的主要研究思想是全局观点。与传统的代谢研究相比, 代谢组学融合了物理学、生物学及分析化学等多学科知识, 利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测，并通过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物, 而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的，因此，代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化，这使研究对象从微观的基因变为宏观的代谢物，宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直观，易于理解, 这点也是代谢组学研究的优势之一. 代谢组学的优势主要包括：对机体损伤小，所得到的信息量大，相对于基因组学和蛋白质组学检测更加容易。由于代谢组学发展的时间较短, 并且由于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的小分子物质，因此对分析手段的要求比较高, 在数据处理和模式识别上也不成熟，存在一些不足之处。同时生物体代谢物组变化快, 稳定性较难控制，当机体的生理和药理效应超敏时，受试物即使没有相关毒性，也可能引起明显的代谢变化，导致假阳性结果。 代谢组学应用领域大致可以分为以下7个方面：
代谢组学的数据分析技术 摘要：代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。文章主要综述了将代谢组学中的图谱、数据信息转换为相应的参数所采用的分析方法。 关键词：代谢组学；数据分析方法 代谢组学是以代谢物分析的整体方法来研究功能蛋白如何产生能量和处理体内物质，评价细胞和体液内源性和外源性代谢物浓度及功能关系的新兴学科，是系统生物学的重要组成部分，其相应的研究能反映基因组、转录组和蛋白组受内外环境影响后相互协调作用的最终结果，更接近反映细胞或生物的表型，因此被越来越广泛地应用。而代谢组学的数据分析包括预处理和统计分析方法，多元统计分析方法主要分为两大类：非监督和监督方法，非监督方法包括主成分分析PCA；聚类分析CA等；监督方法包括显著性分析、偏最小二乘法等，本文就是主要综述代谢组学图谱信息转化为参数信息所采用的数据分析方法。 1预处理 数据的预处理过程包括以下：谱图的处理；生成原始的数据矩阵；数据的归一化以及标准化处理过程。针对实验性质、条件以及样品等因素采用不同的预处理方法。在实际应用过程中，预处理可以通过实验系统自带的软件如XCMS软件。进行，因此一般较容易获得所需的数据形式。 2数据分析方法 2.1 主成分分析PCA是多元统计中最常用的一种方法，它是在最大程度上提取原始信息的同时对数据进行降维处理的过程，其目的是将分散的信息集中到几个综合指标即主成分上，有助于简化分析和多维数据的可视化，进而通过主成分来描述机体代谢变化的情况。PCA 的具体过程是通过一种空间转换，形成新的样本集，按照贡献率的大小进行排序，贡献率最大的称为第一主成分，依次类推。经验指出，当累计贡献率大于85％时所提取的主成分就能代表原始数据的绝大多数信息，可停止提取主成分。在代谢组数据处理中，PCA是最早且广泛使用的多变量模式识别方法之一。，具有不损失样品基本信息、对原始数据进行降维处理的同时避免原始数据的共线性问题等优点，但在实际应用过程中，PCA存在着自身的缺点[1]：离群样本点的存在严重影响其生物标志物的寻找；非保守性的代谢组分扰乱正确的分类以及尺度的差异影响小浓度组分的表现等，其他的问题之前也有讨论[2]。针对PCA 的缺陷采用了不同的改进措施，与此同时，为了简化计算，侯咏佳等[3]。提出了一种主成分分析算法的FPGA实现方案，通过Givens算法和CORD IC算法的矢量旋转，用简单的移位和加法操作来实现协方差矩阵的特征分析，只需计算上三角元素，因此计算复杂度小、迭代收敛速度快。 2.2 聚类分析CA是用多元统计技术进行分类的一种方法。其主要原理是：利用同类样本应彼此相似，相类似的样本在多维空间里的彼此距离应较小，而不同类的样本在多维空间里的
代谢组是指某一生物或细胞、组织在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物的集合，主要是指分子量小1000 Da的内源性小分子。根据不同的理化属性可以将代谢组学所包含的物质主要分为氨基酸类(amino acid)、肽类(peptide)、碳水化合物类(carbohydrate)、能量类(energy)、脂类(lipid)、核苷酸(nucleotide)、维生素和辅助因子(cofactors andvitamins)及外源化合物（xenobiotics)，面对种类如此繁多复杂的物质，代谢物鉴定成为代谢组学研究的重点，也是目前主要的技术瓶颈。代谢物的鉴定高度依赖于代谢物标准品库，今天小编就主要介绍下代谢组学常用数据库。 1、HMDB HMDB即人类代谢组数据库于2007年发布，目前是世界上较大、较全面的特定生物体代谢组学数据库。该数据库包含或链接三种数据：化学数据、临床数据和分子生物学/生物化学数据。数据库中含有114162个代谢物条目，包括水溶性和脂溶性代谢物，以及被视为丰富（> 1 uM）或相对稀有（<1 nM）的代谢物，涉及25770个代谢途径、18192个代谢反应。
2、METLIN METLIN起源于表征已知代谢物的数据库，目前已扩展为用于鉴定已知和未知代谢物及其他化学实体的技术平台。该数据库超过一百万个分子，包括脂质、氨基酸、碳水化合物、毒素、小肽和天然产物等。METLIN的高分辨率串联质谱（MS/MS）数据库来自于标准品及其标记的稳定同位素类似物生成的数据，在鉴定代谢物过程中起着关键作用。并且METLIN可通过MS/MS数据和片段相似度搜索功能识别未知代谢物。 3、MassBank MassBank,一个高质量质谱数据库，旨在公开分享从代谢物的化学标准品得到的质谱图以方便用户进行代谢物的鉴定。MassBank包含了
第一、二、三章 1生物的特征：①特定的组构②新陈代谢③稳态和应激④生殖和遗传⑤生长和发育 ⑥进化和适应 2、生物界的分界以及阶元：原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。 分类阶元：界、门、纲、目、科、属、种 3、生物界的结构层次特点：生物界是一个多层次的有序结构，生命的基本单位是细胞，在细胞这一层次上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统。 4、生物学的研究方法：科学观察、假说和实验、模型实验。 5、多样性中存在着高度统一的特点。 6、同位素示踪：利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来去踪迹。 7、多聚体：由相同或相似的小分子组成的长链 8、单糖的结构和功能：①有许多羟基，所以单糖属于醇类②有羰基 细胞中用作燃料的分子主要是葡萄糖，葡糖糖和其他单糖也是细胞合成别的有机分子的的原料。 9、脂肪的功能:①脂质中主要的贮能分子②构成一些重要的生理物质③维持体温和保护内脏，缓冲外界压力④提供必需的脂肪酸⑤脂溶性维生素的来源，促进脂溶性维生素的吸收⑥增加饱腹感。 10、磷脂的结构：结构与脂肪内似，分子中只有两个脂肪酸，另一个酸是磷酸。 11、蛋白质的结构和功能：蛋白质是生物大分子，通过酸、碱或者蛋白酶的彻底水解。可以产生各种氨基酸。因此，蛋白质的基本结构单位是氨基酸。 12、生物体离不开水的七个特征：①水是极性分子②水分子之间会形成氢键③液态水中的水分子具有内聚力④水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化⑤冰比水轻⑥水是极好的溶剂 ⑦水能够电离。 13、DNA双螺旋的结构特点：两个由磷酸基团和糖形成的主链缠绕在一起，含氮碱基主动伸出，夹在双螺旋之间。①两条DNA互补链反向平行②DNA双螺旋的表面存在一个大沟和一个小沟，蛋白质分子通过这两个沟与碱基识别③两条DNA链依靠彼此之间形成的碱基结合在一起 ④DNA双螺旋结构比较稳定。 14、细胞生物学的发展趋势：①“一切生物学的关键问题必须在细胞中找寻”细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位。②细胞生物学研究的核心内容：遗传与发育的关系问题，两者的关系是，遗传在发育过程中实现，发育又以遗传为基础。③细胞生物学的主要发展趋势：用分子生物学及其它相关学科的方法，深入研究真核细胞 基因表达的调节和控制，以期从根本上揭示遗传与发育的关系、细胞衰老、死亡及癌变的机理等基本的生物学问题，为生物工程的广泛应用提供理论依据。④两个基本点：一是基因与基因产物如何控制细胞的生命活动，包括细胞内外信号是如何传递的；二是基因表达产物——蛋白质如何构建和装配成细胞的结构，并使细胞正常的生命活动得以进行。⑤蛋白质组学：生命科学的研究已经进入后基因组时代，随着一大批模式生物基因组结构的阐明，研究的重心将回归到在细胞的水平研究蛋白质的结构与功能，即蛋白质组学的研究，同时对糖类的研究将提升到新的高度。 15、原核细胞和真核细胞的差异：最大的区别是原核细胞没有核膜包裹形成的细胞核，而真核就有；另外原核细胞中只有核糖体这一种细胞器，而真核细胞中有多种细胞器。 16、真核细胞细胞核的结构;细胞核包括核被膜、核基质、染色质和核仁。核被膜是包在核外的双层膜，外膜可延伸于细胞质中的内质网相连；染色质是核中由DNA和蛋白质组成，含有大量的基因片段，是生命的遗传物质；核仁是核中颗粒状结构，富含蛋白质和RNA，产生核糖体的细胞器。染色质和核仁都被液态的核基质所包围。
代谢组学在医药领域的应用与进展 一、学习指导 1.学习代谢组学的概念及内涵，掌握代谢组学的研究对象与分析方法。 2.熟悉代谢组学数据分析技术手段 3.了解代谢组学优势特点 4.了解代谢组学在医药领域的应用 5.了解代谢组学发展趋势 二、正文 基因组功能解析是后基因组时代生命科学研究的热点之一，由于基因功能的复杂性和生物系统的完整性，必然要从“整体”层面上来理解构成生物体系的各个模块功能。随着新的测量技术、高通量的分析方法、先进的信息科学和系统科学新理论的发展，加上生物学研究的深入和生物信息的大量积累，使得在系统水平上研究由分子生物学发现的组件所构成的生命体系成为可能[1]。系统生物学家们认为，将生命科学上升为“综合”科学的时机已经成熟，生命科学再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物学时代进入到系统生物学时代[2]。系统生物学不同以往的实验生物学仅关注个别基因和蛋白质，它要研究所有基因、蛋白质，代谢物等组分间的所有相互关系，通过整合各组成成分的信息，以数学方法建立模型描述系统结构[3,4]。 （一）代谢组学的概念及内涵 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，系统生物学的重要组成部分，也是目前组学领域研究的热点之一。代谢组学术语在国际上有两个英文名，即metabolomics 和metabonomics。Metabolomics是由德国的植物学家Fiehn等通过对植物代谢物研究提出来的，认为代谢组学（metabolomics）是定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学[5]。英国Nicholson研究小组从毒理学角度分析大鼠尿液成份时提出了代谢组学（Metabonomics）的概念，认为代谢组学是通过考察生物体系受扰动或刺激后（如某个特定基因变异或环境变化后），其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化来研究生物体系的代谢途径的一种技术[6]。国内的代谢组学研究小组基本用metabonomics一词来表示“代谢组学”。严格地说，代谢组学所研究的对象应该包括生物系统中所有的代谢产物。但由于实际分析手段的局限性，只对各种代谢路径底物和产物的小分子物质（MW<1Kd）进行测定和分析。 （二）代谢组学优势特点 代谢组学作为系统生物学的一个重要组成部分，代谢组可以更好地反映体系表型生物机体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，在从基因到性状的生物信息传递链中，机体需通过不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部以及与外界环境的正常动态平衡[7]。
代谢组学小常识 概念： 代谢组：指一个细胞、组织或器官中所有代谢物的集合, 包含一系列不同类型的小分子（通常分子量<1000）, 比如肽、碳水化合物、脂类、核酸等。 代谢组学：通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受刺激或扰动后，其代谢产物的变化或其随时间的变化，来研究生物体系的一门科学。 实验流程：（以液质联用为基础的代谢组学为例） 样本前处理：在保证小分子代谢物完整的前提下，处理的步骤越简单越好，以保证操作容易重复，也为大批量样本的处理节约时间。 数据采集：依据实验目的有所不同。 o非目标代谢组学：选用高分辨质谱仪（TOF，Orbitrap等），有助于检测到尽可能多的化合物，另外高分辨的质核比数据也有助于数据库检索以及化合物的鉴定。 o目标代谢组学：通常使用三重四极其杆质谱，提高检测的灵敏度以及定量的准确性。 数据预处理：峰提取，排列，归一化。 o多数质谱商家都提供了配套的预处理软件，例如安捷伦公司的MassHunter，热电的Sieve，沃特世的MarkerLynx以及Progenisis QI。 o同时也有一些基于网络的可以免费获取的软件。建议使用配套的软件，因为不需要额外的数据转换，不需要上传数据，节省时间。 数据分析：多元统计分析包括主成份分析（PCA）,偏最小二乘判别分析（PLS-DA），正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），聚类分析（HCA）等。各个厂商也提供了相应的统计分析软件，比如安捷伦的MPP，热电的Sieve，沃特世的Ezinfor。目前常用的第三方软件是Simca-p，同时也有一些网络的开源软件可以使用。 化合物鉴定：数据库检索，标准品对比，二级质谱对比。 代谢组学文章中常见的统计图（一） 主成分分析（PCA） PCA得分图（score plot），用来看样本天然的分组情况，在分析时不加任何分组信息。图中每一个点代表一个样本，样本在空间中所处的位置由其中所含有的代谢物的差异决定。 PCA载荷图（loading plot），用来寻找差异变量。同种的每一个点代表样本中还有的一个代谢物物，距离原点越远的代谢物被认为对样本的分类贡献越大。 偏最小二乘判别分析（PLS-DA） 得分图和载荷图的解释同PCA。区别在于，PLS-DA在分析时提前赋予每个样本分组信息，简
第一章．绪论 1．生命体细胞作为基本单位的组构，有哪些重要的特点？ 细胞是生命的基本单元。生物有机体（除病毒外）都是由细胞组成的。细胞由一层质膜包被：质膜将细胞与环境分隔开来，并成为它与环境之间进行物质与能量转换的关口。在化学组成上，细胞与无生命物体的不同在于细胞中除了含有大量的水外，还含有种类繁多的有机分子，特别是起关键作用的生物大分子：核酸、蛋白质、多糖、脂质。由这些分子构成的细胞是结构异常复杂且高度有序的系统，在一个细胞中除了可以进行生命所需要的全部基本新陈代谢活动外，还各有特定的功能。整个生物体的生命活动有赖于其组成细胞的功能的总和。 2.分类阶元和界的划分？生物分界代表性人物？如二界系统为瑞典林奈。 界、门、纲、目、科、属、种（递减） 林奈：二界系统、海克尔：原生生物界惠特克：五界(原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、动物界) 3．在五界系统中，为什么没有病毒？ 五界系统根据细胞结构和营养类型将生物分为五界，病毒不具细胞形态，由蛋白质和核酸组成，没有实现新陈代谢所必需的基本系统，不包含在五界系统中。 4．在二界或三界系统中，细菌、真菌均隶属于植物界，在五界系统中，它们都从植物界中划出来，或独立或为原核生物界和真菌，这样做的理由是什么？ 二界系统中，细菌和蓝藻属于植物界，但是它们的细胞结构显然处于较低水平，它们没有完整的细胞核（染色体是一个环状的DNA分子，没有核膜）,也没有线粒体、高尔基体等细胞器。蓝藻和某些细菌有光合作用，但不应因此就把它们放入植物界。它们有光合作用只是说明生命在进化到原核生物阶段就有利用光能，进行光合作用的能力。真菌是是进化的产物，腐食营养，独立为真菌界。 6．分子生物学的发展如何深化和发展了人们关于生物界统一性的认识？ 分子生物学告诉我们，所有生物的细胞是由相同的组分如核酸、蛋白质、多糖等分子所构建的。细胞内代谢过程中每一个化学反应都是由酶所催化的，而酶是一种蛋白质。所有的蛋白质都由20种氨基酸以肽键的方式连接而成。各种不同蛋白质的功能是由蛋白质长链中氨基酸的序列决定的。所有生物的遗传物质都是DNA或RNA。所有DNA都是由相同的4种核苷酸以磷酸二酯键的方式连接而成的长链。2条互补的长链形成DNA双螺旋分子。沿着DNA长链的核苷酸序列决定蛋白质长链上氨基酸的序列，进而为每一个物种、每一个生物体编制蓝图。生物体的代谢、生长、发育等过程都受到来自DNA的信息的调控。在所有的生物中，遗传信息的方向是相同的，使用的是同一种遗传密码。这些事实使人们进一步认识到DNA→RNA→蛋白质的遗传系统是生物界的统一基础。这就令人信服地证明所有生物有一个共同的由来，各种各样的生物彼此之间都有或近或远的亲缘关系，整个生物界是一个多分支的物种进化系谱。 8．为什么说地球上的生态系统是目前人类生存的地球表层环境得以维持的支持系统？ 地球形成之初，以酸性气体为主，经历37亿年的生物和环境协同进化，使今日地球的表面环境作为我们的家园“恰到好处”，大气中的C02浓度正好使地表温度适合生物生存，并有效地防止了地表液态水的过度蒸发，保持了一个生物生存的液态水圈；大气中含有足够的分子态氧，保证了生物的呼吸和岩石的风化，而岩石的风化提供了生命所需的矿物质，并且大气中的氧在紫外线作用下形成臭氧层，挡住了来自宇宙的紫外线辐射，保护了地表生命；氧化性大气圈还能使大多数陨石在到达地表之前燃烧掉。储存在地下的煤、石油、天然气都是生命活动的产物。这一切都依赖于地球上的生态系统提供，要维持这种环境的物理状态，仍然需要地表上具有相当规模和质量的生态系统，所以说地球上的生态系统是目前人类生存的地球表层环境得以维持的支持系统。
2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展 王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞 （河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002） 摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。 关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能 中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016 Research of Metabolomics in Tobacco WANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function 代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。 烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出 基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150） 作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@https://www.doczj.com/doc/8d3600670.html, *通信作者，E-mail：zhaomingqin@https://www.doczj.com/doc/8d3600670.html, 收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19
系统生物学的飞速发展促使科学研究体系发生了巨大 变化，研究理念从以往的“个体论”过渡到当今的“整体论”。而各种“组学”的研究也应运而生，代谢组学即是其中一个重要分支。代谢物是细胞生理活动的最终产物。当细胞所处环境发生变化，如遗传信息改变、毒物药物作用、细菌病毒侵入等时，均会使细胞产生的内源性生物小分子发生相应变化，而代谢组学就是通过研究这些小分子物质来推断生物系统对基因或环境变化而产生的最终应答[1-4]。代谢组学作为一门新兴学科，已广泛应用于毒理学研究、药物研发、疾病的诊断和治疗等方面。与此同时，代谢组学的分析技术也随着研究的深入而不断发展。 代谢组学的概念 早在1983年，Nicholson等[5]首先应用核磁共振氢谱（1H NMR）来检测血浆、血清中的小分子代谢物。而直到1999年，Nicholson等[6]才正式将代谢组学定义为，以动物的体液和组织为研究对象，研究生物体对病理生理刺激或基因修饰产生的代谢物质其质和量的动态变化，关注的对象为相对分子质量在1000以下的小分子化合物。2000年，Fiehn等[7]正式提出“代谢组学（metabolomics）”这个名词。 Fiehn[3]将生物体系的代谢产物分析分为4个层次。 ①代谢物靶标分析：可对代谢物组中某一个特定的组分进行分析，主要用于筛选和要求高灵敏度物质的分析。②代谢物谱分析：可对一种特定的代谢物进行分析，如碳水化合物、氨基酸等，主要在药物研究中描述特定化学药品分解代谢途径[8]。代谢物谱这个概念目前应用已十分广泛，甚至已代替原有的“代谢组学”概念[9]。③代谢物组分析：可在限定条件下对特定生物样品中所有代谢物组分进行定性和定量分析。代谢物组包括细胞内代谢物及细胞外液代谢物，必须要有严格的样品制备和分析技术。④代谢物指纹分析：细胞产生的代谢物通过核磁共振（NMR）或质谱（MS）分析，得到的光谱就是这个代谢物的“指纹”。这种分析方法不分离鉴定具体单一组分，只是对样品进行快速分类。 代谢组学相关技术及进展 代谢组学研究过程包括3个步骤，即样品的制备、代谢物的分离和检测、数据分析及模型的建立[10]。 一、代谢组学的研究样品 因尿液、血清或血浆包含上百种待测物质，获取途径也较方便，已成为目前代谢组学研究中最常用的样本[11]，其他如脑脊液、胆汁、消化液、唾液、精液、羊水等，亦可作为代谢组学研究的样本。 血液样本反映机体对病理或生理刺激的瞬时信息，评价机体的动态平衡。尿液标本常包含一段时间内产生的代谢信息，反映机体当前的生理或病理状态、生物学年龄，也可预测各种先天不足或外环境影响的致病率。组织包含的代谢物可帮助判断该组织所属器官发生生物学进程改变后所产生的分子信息，因此可用来解释机体如何对刺激作出生化应答[11]。 当然，因为样本的制备过程及获取途径不同，选取不同样本，得到的数据会有相应差异。如在血制品中，血浆和血清都可作为代谢组学的研究样本。Liu等[12]通过气相色谱-飞行时间质谱（GC-TOF-MS）方法分别检测血清和血浆中的代谢物谱，发现在血清或血浆的准备过程中，血液的待检时间会影响代谢物的峰面积。这对血浆的影响更大，等待时间越长，血清中某些代谢物含量会显著增高，而血浆中则大大减少，故认为血清更适合作为代谢组学的研究样本。 样品存储也是代谢组学研究中一个重要的环节，主要目的就是尽可能保留最原始的代谢信息，避免实验误差。最佳保存方式是液氮或－80℃的低温冰箱。 二、代谢产物分析技术 NMR光谱技术和MS技术是目前最常用的2种代谢组学分析方法。 1．NMR光谱：NMR技术是最早被用于代谢组学研究的技术之一[5]，其利用原子核在磁场中的能量变化来获得相关核信息。目前常用的有1H-NMR、碳谱（13C-NMR）和磷谱（31P-NMR），其中以1H-NMR应用最为广泛[13]。 NMR技术几乎不需要进行样品前处理，可快速对样本进行分析，即使样本量极少，也可获得大量信息[14]。NMR为非侵入性操作，不破坏样本，是现有代谢组学分析技术中唯一能用于活体和原位研究的技术。同时利用NMR弛豫特性 ·综述· 代谢组学分析技术的新进展 邱青青，燕敏，李琛 （上海交通大学医学院附属瑞金医院外科，上海200025）关键词：代谢组学；分析技术；核磁共振氢谱 中图分类号：R364.2文献标识码：C文章编号：1671-2870（2011）01-0082-04 基金项目：上海市自然科学基金（10411967000） 通讯作者：李琛E-mail:leechendoc@https://www.doczj.com/doc/8d3600670.html,
代谢组学小常识 概念： ?代谢组：指一个细胞、组织或器官中所有代谢物的集合, 包含一系列不同类型的小分子（通常分子量<1000）, 比如肽、碳水化合物、脂类、核酸等。 ?代谢组学：通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受刺激或扰动后，其代谢产物的变化或其随时间的变化，来研究生物体系的一门科学。 实验流程：（以液质联用为基础的代谢组学为例） ?样本前处理：在保证小分子代谢物完整的前提下，处理的步骤越简单越好，以保证操作容易重复，也为大批量样本的处理节约时间。 ?数据采集：依据实验目的有所不同。 o非目标代谢组学：选用高分辨质谱仪（TOF，Orbitrap等），有助于检测到尽可能多的化合物，另外高分辨的质核比数据也有助于数据库检索以及化合物的鉴定。 o目标代谢组学：通常使用三重四极其杆质谱，提高检测的灵敏度以及定量的准确性。 ?数据预处理：峰提取，排列，归一化。 o多数质谱商家都提供了配套的预处理软件，例如安捷伦公司的MassHunter，热电的Sieve，沃特世的MarkerLynx以及Progenisis QI。 o同时也有一些基于网络的可以免费获取的软件。建议使用配套的软件，因为不需要额外的数据转换，不需要上传数据，节省时间。 ?数据分析：多元统计分析包括主成份分析（PCA）,偏最小二乘判别分析（PLS-DA），正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），聚类分析（HCA）等。各个厂商也提供了相应的统计分析软件，比如安捷伦的MPP，热电的Sieve，沃特世的Ezinfor。目前常用的第三方软件是Simca-p，同时也有一些网络的开源软件可以使用。 ?化合物鉴定：数据库检索，标准品对比，二级质谱对比。
第一、二、三章 1生物得特征:①特定得组构②新陈代谢③稳态与应激④生殖与遗传⑤生长与发育⑥进化与适应 2、生物界得分界以及阶元:原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界与动物界。 分类阶元：界、门、纲、目、科、属、种 3、生物界得结构层次特点：生物界就是一个多层次得有序结构，生命得基本单位就是细胞,在细胞这一层次上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统。 4、生物学得研究方法:科学观察、假说与实验、模型实验。 5、多样性中存在着高度统一得特点。 ６、同位素示踪：利用放射性同位素显示某种原子在生物体内得来去踪迹． 7、多聚体：由相同或相似得小分子组成得长链 8、单糖得结构与功能:①有许多羟基，所以单糖属于醇类②有羰基 细胞中用作燃料得分子主要就是葡萄糖,葡糖糖与其她单糖也就是细胞合成别得有机分子得得原料。 ９、脂肪得功能：①脂质中主要得贮能分子②构成一些重要得生理物质③维持体温与保护内脏，缓冲外界压力④提供必需得脂肪酸⑤脂溶性维生素得来源,促进脂溶性维生素得吸收⑥增加饱腹感. 10、磷脂得结构:结构与脂肪内似,分子中只有两个脂肪酸，另一个酸就是磷酸。 11、蛋白质得结构与功能：蛋白质就是生物大分子，通过酸、碱或者蛋白酶得彻底水解。可以产生各种氨基酸.因此,蛋白质得基本结构单位就是氨基酸. 1２、生物体离不开水得七个特征:①水就是极性分子②水分子之间会形成氢键③液态水中得水分子具有内聚力④水分子之间得氢键使水能缓与温度得变化⑤冰比水轻⑥水就是极好得溶剂⑦水能够电离. 1３、ＤNＡ双螺旋得结构特点：两个由磷酸基团与糖形成得主链缠绕在一起,含氮碱基主动伸出，夹在双螺旋之间.①两条DＮA互补链反向平行②DNA双螺旋得表面存在一个大沟与一个小沟,蛋白质分子通过这两个沟与碱基识别③两条DNA链依靠彼此之间形成得碱基结合在一起④DＮA双螺旋结构比较稳定. 14、细胞生物学得发展趋势:①“一切生物学得关键问题必须在细胞中找寻”细胞就是一切生命活动结构与功能得基本单位。②细胞生物学研究得核心内容:遗传与发育得关系问题,两者得关系就是，遗传在发育过程中实现，发育又以遗传为基础。③细胞生物学得主要发展趋势:用分子生物学及其它相关学科得方法,深入研究真核细胞 基因表达得调节与控制,以期从根本上揭示遗传与发育得关系、细胞衰老、死亡及癌变得机理等基本得生物学问题，为生物工程得广泛应用提供理论依据。④两个基本点:一就是基因与基因产物如何控制细胞得生命活动,包括细胞内外信号就是如何传递得;二就是基因表达产物——蛋白质如何构建与装配成细胞得结构,并使细胞正常得生命活动得以进行。⑤蛋白质组学:生命科学得研究已经进入后基因组时代,随着一大批模式生物基因组结构得阐明,研究得重心将回归到在细胞得水平研究蛋白质得结构与功能,即蛋白质组学得研究，同时对糖类得研究将提升到新得高度. 15、原核细胞与真核细胞得差异：最大得区别就是原核细胞没有核膜包裹形成得细胞核,而真核就有;另外原核细胞中只有核糖体这一种细胞器,而真核细胞中有多种细胞器。 16、真核细胞细胞核得结构；细胞核包括核被膜、核基质、染色质与核仁。核被膜就是包在核外得双层膜,外膜可延伸于细胞质中得内质网相连；染色质就是核中由DNA与蛋白质组成，含有大量得基因片段,就是生命得遗传物质;核仁就是核中颗粒状结构，富含蛋白质与RNA，产生核糖体得细胞器。染色质与核仁都被液态得核基质所包围.
代谢组学分析系统 1.工作条件： 1.1 电压：220V（±10%）单相，50Hz(±1)。 1.2 环境温度：19-22o C 1.3 相对湿度：<70% * 2.设备用途和基本组成 2.1 仪器用途：所提供仪器为高分辨率，高灵敏度、高通量的分析系统，配以 专业的数据分析处理软件构成代谢组学专用分析系统，从而快速 寻找标记物。 2.2 仪器组成 2.2.1 仪器由超效液相色谱-四极杆/二级碰撞室/飞行时间质谱组成的系统，和 专用代谢组学分析软件以及代谢物分析软件构成，具有先进的中医药代 谢组学研究分析功能。 * 2.2.2 质谱主机要求配置同一厂家生产的液相色谱仪，具有良好的兼容性。 * 2.2.3 具备准确质量测定功能 准确质量测定的内标必须有独立于实测样品的通道进入离子源，内标不得 干扰实际样品的数据结果，并且质量准度<2ppm。 2.2.4 真空系统 要求完全被保护的多级真空系统，具有自动断电保护功能，采用分子涡轮 泵。离子源和质谱间有隔断阀。便于源清洗和日常维护。 * 2.2.5 碰撞室具有两级碰撞功能。分为以下部分： 捕获富集单元：具有离子传输富集、碰撞室两种功能 传输单元：具有离子传输、碰撞室两种功能 * 2.2.6 检测器 检测器由单个微通道板离子计数检测，可检测正负离子和采集MS和 MS/MS的数据, TDC转换速率>4.0 GHz。 * 2.2.7 数据采集和处理系统 工作站用于仪器控制和采集, 1024MB RAM, 200GB硬盘，DVD-ROM，
刻录光盘驱动器，1.44MB 3.5英寸软驱。 软件基于Windows XP 操作系统的应用软件包括集成化的仪器控制、数据处理等软件，代谢组学分析软件以及代谢物分析软件等。 3 仪器的详细技术指标 3.1 液相色谱仪 * 液相色谱仪必须是能够耐超高压（1000bar）的超高效液相色谱仪(UPLC)。3.1.1 可编程二元梯度泵。 溶剂数量：4 流速范围：0.010 - 2mL/min，步进0.001mL/min， 流速精度：< 0.075% RSD，流速准确度：±1%， 泵耐压：0 - 15000psi（1000bar） 梯度设定范围：0 - 100% *系统延迟体积：< 120uL 3.1.2 二极管阵列检测器 波长范围：190-700nm. *测量范围：0.0001～4.0000AUFS *采样速率：40点/秒 流通池：500nl低扩散 3.1.3 自动进样器系统 样品数量：96孔板、384孔板、24x4ml瓶、48x2ml瓶 进样范围：0.1- 50 μL, “针内针”样品探针。 温度范围：4-40摄氏度 3.1.4 在线脱气系统 真空脱气：六通道在线脱气机 3.1.5 柱加热系统 控温范围：室温+5---65摄氏度 3.1.6 专用色谱柱； * 1.7μ, 2.1 mm x 50 mm Column
代谢组学综述 摘要：代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,由于其广泛的应用前景,目前已成为系统生物学的重要组成部分。现简要介绍了代谢组学的含义、代谢组学研究的历史沿革、当前代谢组学研究中的分析技术、数据解析方法,综述了代谢组学在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域的应用情况,并对当前代谢组学研究中存在的问题及发展趋势进行探讨。 关键词：代谢组学研究技术 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组学（metabolomics）在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律。这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Jeremy N icholson教授提出的, 他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统, 机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。2000年, 德国马普所的Fiehn等提出了代谢组学的概念, 但是与N icholson提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程, 也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代
TTI9GE TTI9GE 第二章生命的化学基础 第三章细胞结构与细胞通讯 第四章细胞代谢 第五章细胞的分裂和分化 十七章植物的结构与生殖 十八章植物的营养 十九章植物的调控系统 二十五章达尔文学说与微进化 二十六章物种形成 二十八章生命起源及原核生物多样性的进化 二十九章真核细胞起源及原生生物多样性的进化 生命科学技术学院2014届
第二章生命的化学基础 1.（）、（）、（）和（）4种原子是组成细胞及生物体最主要的原子，其中（）原子相互连接成（）或环， 形成各种生物大分子的基本骨架。 2.化学键是将相邻原子结合在一起形成分子的相互（）。共价键是原子间通过（）而形成稳定的分子结构。 分子之间（）叫氢键。 3.细胞及生物体通常由（）、（）、（）、（）、（）和（）6类化合物所组成。 4.核苷酸单体的组成包括（）、（）和（）基团。 5.下列化合物中，哪些不是多糖？ A.纤维素 B.琼脂 C.麦芽糖 D.糖原 E.韧带纤维 6. 指出下列反应中的水解反应（） A.氨基酸+氨基酸→二肽+H2O B.二肽+H2O→氨基酸+氨基酸 C.多肽变性反应 D.A和B都是 E.B和C都是 7. 将下列4类基本的生化大分子与有直接关联的名词或概念连线： 细胞壁 DNA双螺旋 细胞膜 A 糖类磷酸 激素 基因 B 脂类葡萄糖 相对高储能营养物质 甘油 C 蛋白质嘌呤或嘧啶 活性位点 氨基酸 D 核酸酶二硫键 电泳 260nm紫外吸收峰 280nm紫外吸收峰 第三章细胞结构与细胞通讯 1. 下列（）不是由双层膜所包被的 A.细胞核 B.过氧化物酶体 C.线粒体 D.质体 2. 最小、最简单的细胞是（） A. 蓝细胞 B.古细菌 C.霉菌 D.支原体 3. 下列细胞器中，作为细胞分泌物加工分选场所的是（） A.内质网 B.高尔基体 C.核糖体 D.溶酶体