代谢组学 方法与应用(许国旺等著)思维导图

几种现代中医药研究方法的概述邓哲【摘要】屠呦呦之诺奖再次像我们证明了中医药是一座尚待开发的宝库，传统的中医药要与现代的科学技术相结合才能更好的走向国际，造福人类。

而现代中医药的研究可谓“百家争鸣，百花齐放”的局面，各种研究方法层出不穷。

现就近几年中医药中热点方法进行概述，为中医药的现代化奠定基础以及期待更好中医药研究方法的提出。

【关键字】中医药；研究方法；概述；General situation of several of modern research methods in TCM 【Abstract】Tuyouyou, the Nobel prize winner, validates that traditional Chinese medicine(TCM) is a treasury worthy of exploiting. In order to better march for the international market and benefit mankind, modern scientific technology needs to be applied to TCM. However, the research situation of TCM is called “encouraging blossoming and contending of all”, and varieties of research methods emerge in endlessly. Now general situation is summarized about the hot methods in TCM in recent years, which aims to lay foundations to the modernization of TCM and expect better research methods are put forward.【keyword】TCM; research methods; general situation;中医药是我国几千年来劳动人民经验和智慧的结晶，在世界医学中具有不可替代的作用。

第1章绪论随着人类基因组测序工作的完成，基因功能的研究逐渐成为热点，随之出现了一系列的“组学”研究，包括研究转录过程的转录组学（transcriptomics）、研究某个生物体系中所有蛋白质及其功能的蛋白质组学（proteomics）及研究代（图1-1）。

谢产物的变化及代谢途径的代谢组学（metabolomics或metabonomics）代谢组学是众多组学中的一种，是随着生命科学的发展而发展起来的。

与其他组学不同，代谢组学是通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受刺激或扰动后（如将某个特定的基因变异或环境变化后），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[1]。

所谓代谢组（metabolome）是基因组的下游产物也是最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常功能和生长发育的小分子化合物的集合，主要是相对分子质量小于1000的内源性小分子。

代谢组中代谢物的数量因生物物种不同而差异较大，据估计，植物王国中代谢物的数量在200000种以上，单个植物的代谢物数量在5000~25000，甚至简单的拟南芥（Arabidopsisthaliana）也产生约5000种代谢产物，远远多于微生物中的代谢产物（约1500种）和动物中的代谢产物（约2500种）[2]。

实际上，在人体和动物中，由于还有共存的微生物代谢、食物及其代谢物本身的再降解，到目前为止，还不能估计出到底有多少种代谢产物，浓度分布范围有7~9个数量级。

因此对代谢组学的研究，无论从分析平台、数据处理及其生物解释等方面均面临诸多挑战。

本章对代谢组学发展的历史、国内外现状、研究方法、典型应用领域及研究热点等给予了介绍。

代谢组学简介代谢组学发展的时代背景生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。

自从1953年Watson和Crick 建立了DNA双螺旋结构模型后，生命科学研究的面貌便焕然一新。

许国旺教授的学术贡献
许国旺教授的生平简介
出生地与出生日期
工作经历
许国旺教授出生于中国浙江省，具体 的出生日期为XXXX年XX月XX日。
许国旺教授在XXXX年开始其教学生 涯，先后在XXXX大学和XXXX大学任 教。
教育背景
许国旺教授在XXXX年毕业于XXXX大 学，获得学士学位。之后，他前往 XXXX留学，获得博士学位。
代谢组学在生物医学领域的应用
代谢组学在疾病诊断中的应用
代谢组学在疾病诊断中具有重要作用， 通过对生物体代谢产物的检测和分析， 可以发现异常代谢标志物，为疾病的早 期诊断提供依据。
代谢组学技术可以检测血液、尿液等生物样 本中的代谢产物，通过比对正常与异常代谢 产物的差异，有助于发现潜在的疾病风险和 早期预警指标。
体外研究方法包括代谢组学高通量筛 选、代谢组学生物信息学分析、代谢 组学单细胞分析等。这些方法可以帮 助研究者从更宏观的角度了解生物体 的代谢变化，从而为药物研发、疾病 诊断和治疗提供有力支持。
代谢组学的研究技术
代谢组学的研究技术主要包括色谱法、质谱法、核磁 共振波谱法、毛细管电泳法等。这些技术可以帮助研 究者分离和鉴定生物体内的代谢产物，从而了解生物 体的代谢机制和调控规律。
代谢组学的研究内容
01
代谢产物的检测与 分析
研究生物体在不同生理或病理状 态下代谢产物的种类、含量及其 变化规律。
02
代谢调控机制
探讨基因、酶、激素等对代谢过 程的调控作用，以及代谢产物之 间的相互作用。
03
生物标记物的发现 与应用
寻找与疾病发生、发展相关的代 谢标记物，为疾病的早期诊断、 治疗和预后评估提供依据。
代谢组学研究的伦理和社会问题
随着代谢组学的广泛应用，涉及的伦理和社会问题也逐渐凸显，需 要加强相关法规和伦理规范的建设。

（一）底物脱氢的途径
底物脱氢的四种途径
EMP途径 HMP途径 ED途径 磷酸解酮酶途径
葡萄糖
ATP
1.EMP途径
ADP
（Embden-Meyerhof
葡糖-6-磷酸
pathway）
果糖-6-磷酸
a
ATP
ADP
果糖-1，6- 二磷酸
磷酸二羟丙酮
甘油醛-3-磷酸
NAD+
NADH+H+
1，3-二磷酸甘油酸
微生物学
2. HMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径、 WD途径)
HMP途径可分为氧化阶段和非氧化阶 段。该途径的重要之处在于能为微生物生 长提供能量和各种不同长度的碳架,用于 细胞物质合成。
➢ HMP途径
➢ HMP途径的三个阶段
微生物学
从6-磷酸-葡萄糖开始，通过几步氧化反应产生核酮糖 -5-磷酸和二氧化碳。
无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由 一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物 是后续反应的底物。
细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常 进行。
某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物 质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密 切相关。
按物质转化方式分：
分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生 能量。 合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过 程中要消耗能量。
第五章 微生物的新陈代谢
能量与代谢关系示意图
本章内容
代谢概论 微生物产能代谢 耗能代谢 次生代谢产物 微生物代谢的调节
第一节 代谢概论
代谢(metabolism)是生命存在的基本特征，是生物体内所进行的全部生化 反应的总称。

发展和转移的关系。
通过代谢组学的研究，可以发现癌症的早期预警标志物、疗效评估指标 以及潜在的治疗靶点，为癌症的诊断和治疗提供新的思路和方法。
糖尿病代谢组学研究
糖尿病代谢组学研究主要关注糖代谢、脂肪代谢、蛋 白质代谢、维生素和矿物质代谢等方面的变化，以及 这些变化与糖尿病并发症的关系。
单击此处添加正文，文字是您思想的提一一二三四五 六七八九一二三四五六七八九一二三四五六七八九文 ，单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了最 终呈现发布的良好效果单击此4*25}
代谢组学实验设计原则
01
02
03
04
样本代表性
选择的生物样本应具有代表性 ，能够反映整体群体的代谢特
征。
实验可重复性
实验设计应确保可重复性，以 便验证结果的可靠性和稳定性
。
控制无关变量
应控制实验中的无关变量，以 减小其对实验结果的影响。
对照设置
合理设置对照组，以便更好地 比较不同组之间的代谢差异。
质谱技术（MS）
通过测量代谢产物的质量，来确定其成分和结构，具有高灵敏度和高 分辨率的特点。
气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）
结合了气相色谱的分离能力和质谱的鉴定能力，适用于复杂生物样本 中代谢产物的分析。
高效液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）
适用于分析热不稳定、极性或大分子量代谢产物，具有高分离效能和 鉴定能力。
THANKS
谢谢您的观看
探索代谢组学与其他组学的整合分析方法
代谢组学研究需要与其他组学研 究相结合，以更全面地了解生物
系统的复杂性和动态性。
探索代谢组学与基因组学、转录 组学、蛋白质组学等其他组学的 整合分析方法，建立多组学数据
分析平台。

变化因素
在4℃凝结 在25℃凝结
抗凝剂
离心时间 血清储存于4℃ 血清储存于25℃ 血浆储存于4℃ 血浆储存于25℃ 血清储存于-80℃ 冷冻/解冻循环
1, 6, 24 h I, 6, 24 h 肝素钠 vs. EDTA vs.柠檬酸钠
I5 min vs. 30min 6, 12, 24, 48 h 6, 12, 24, 48 h 6, 12, 24, 48 h 6, 12, 24, 48 h 1, 3, 6个月 1, 5, 10次
2.3 数据处理
1. • 导入原始的连续数据集 2. • 峰对齐，纠正不同分析运行间的保留时间偏移
• 色谱峰归一化，以便在不同样品运行间进行比较
3. 4. • 色谱峰检测(峰选择) 5. • 离子去卷积，按化合物将离子分组 6. • 利用已有的定制数据库进行化合物鉴定 7. • 执行数据分析
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噪取正音与在交信实P偏息验L（S，有最-DO最关小AP基大 的L二S础化变乘-D上程化-A判，度来）去地寻别除提找分析
两组之间的差异代谢物。
SIMICA-P MATLAB
代谢物的鉴定
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NMR
经验解谱（一维和二维核磁谱图结合） HMDB数据库 现有文献
标品对照
GC-MS NIST数据库
图1 各组人体血浆样本GC-MS总离子色谱图（TIC）
图4 抑郁症患者服药前后样本（训练集）OPLS-DA散点图(a)以及相应的S-plot图（b）；
抑郁症患者服药前后样本（验证集）OPLS-DA散点图（c）以及相应的相应的S-plot图（d）
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差异代谢物及相关代谢通路分析
乙醛酸和二羧酸盐代谢

赛默飞代谢组学新技术新方法交流会成功召开代谢组学新技术新方法交流会于2012年4月17日在中国科学院大连化学物理研究所生物技术部一楼会议室召开。

本次会议由赛默飞世尔科技（以下简称：赛默飞）和中科院大连化物所共同举办。

约五十位来自全国各地的代谢组学研究专家参加了此次会议。

会议主要讨论了代谢组学仪器分析技术及在脂组学、中医药等研究中的应用。

会议现场王勇为博士会议开始由大化所许国旺研究员和赛默飞生命科学质谱市场经理王勇为博士致欢迎辞。

许国旺研究员介绍了我国代谢组学发展历史及化物所为促进国内代谢组学发展所做的诸多努力，并以肝癌、卵巢癌等代谢组学实例研究介绍代谢组学方法流程。

许国旺研究员韩贤林教授随后，来自Sanford Burnham Medical Research Institute Diabetes and Obesity Research Center的韩贤林教授讲解了鸟枪法脂质组学（shotgun lipidomics）中的高分辨率质谱应用。

韩教授介绍了应用Thermo Scientific TSQ Vantage三重四极杆质谱仪，以多维质谱为基础的鸟枪法（multi-dimensional mass spectrometry-based shotgun lipidomics MDMS-SL) 之后，又讲解了新研究的应用超高分辨率质谱Q Exactive的accurate neutral loss-assisted shotgun lipidomics (ANLA-SL)。

全胜副教授上海交大生命科学院全胜副教授介绍了转基因生物的代谢组学检测方法。

上海交大与美国METABOLON公司代谢组学合作实验室成立以来，已经出色地完成了很多代谢组学研究项目。

这些出色的成绩是在上海交大实验室的LTQ XL线性离子阱质谱与METABON美国总部的Q Exactive高分辨台式质谱上实现的。

午餐后，与会代表参观了化物所生物技术部实验室，实验室里装配了强大的Orbitrap Elite高分辨组合质谱。

将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的 1H-NMR谱 峰与样品中各化合物的氢原子对应,根据一定的规则或与标准 氢谱比照可以直接鉴定出代谢物的化学成分,信号的相对强弱 则反映了各成分的相对含量。不同样品的代谢物图谱有其特 质性,可对这种特质性进行区分、鉴定。
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质谱技术
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2020/6/27
色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离 分析提供有力的手段，如气质联用(GC一MS)、液质联用LC一MS和毛 细管电泳一质谱联用(CE一MS)
代谢组学
代谢组 代谢物
细胞
组织
蛋白质组
蛋白质组学
基因组学
个体
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5
➢ 代谢组学研究目的
2020/6/27
代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的 含量。代谢组学分析可以指示细胞、组织或器官的生化状态， 协助阐释新基因或未知功能基因的功能，并可以揭示生物各代 谢网络间的关联性，帮助人们更系统地认识生物体。(举例）
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质谱
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将预处理的体液或是组织(根据实验需要,可将组织行甲醇除蛋白、 庚烷除脂肪及冻干等处理),加至质谱仪,经历汽化,离子化、加速分离及 检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢组的图谱。图谱中每个峰 值对应着相应的分子量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化学 成分以及半定量关系。
3.植物样本：采集后迅速冷冻（液氮），冷冻保存。
4.血清样品：一定避免反复冻融。(血液收集在离心管中静置30分钟 进行凝固。离心取上清装载干净的离心管中，再离心5分钟，冷冻保 存。）
5.尿液样品：离心去沉淀，冷冻保存。
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➢ 数据采集（分析技术平台）

论文：《代谢组学在 药物研究中的应用》
研究成果：开发了代 谢组学技术，用于药 物筛选和优化
论文：《代谢组学在 环境研究中的应用》
研究成果：开发了代 谢组学技术，用于环 境监测和治理
04
许国旺的科研团队和实 验室
许国旺实验室的研究方向和特色
研究方向：代谢 组学
研究领域：生物 医学、生物技术、 生物信息学等
感谢您的观看
汇报人：
和效果
代谢组学在其他生物医学领域的应用
药物研发：通过代谢 组学研究药物对生物 体的影响，优化药物 设计和筛选
疾病诊断：通过代谢 组学研究疾病状态下 的代谢变化，辅助疾 病诊断和预后评估
营养学研究：通过代 谢组学研究营养素对 生物体的影响，优化 营养素摄入和营养干 预
环境毒理学研究：通 过代谢组学研究环境 污染物对生物体的影 响，评估环境污染风 险和健康影响
代谢组学许国旺PPT 课件
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汇报人：
目录 /目录
01
点击此处添加 目录标题
04
许国旺的科研 团队和实验室
02
代谢组学概述
05
代谢组学在生 物医学领域的 应用
03
许国旺的学术 贡献
06
代谢组学的未 来发展前景
01 添加章节标题
02 代谢组学概述
代谢组学的定义
主要研究代谢物的种类、含 量、变化规律及其与生理、 病理过程的关系
07 总结和展望
对许国旺在代谢组学领域的贡献进行总结和评价
添加 标题
许国旺在代谢组学领域的贡献：提出了代谢 组学的概念，并推动了其在医学、生物学等 领域的应用。
添加 标题
许国旺的研究成果：在代谢组学领域发表了 多篇具有影响力的论文，推动了代谢组学的 发展。

21卷1期2005年1月生　物　工　程　学　报Chinese J ou rnal o f Biotechnology Vol .21　No .1January 2005R eceived :July 6,2004;Accepted :August 23,2004.This work was supported by Grant from the High -technology Development Pl an “863project ”(No .2003AA223061)of State M inistry of Science and Technol -ogy of China and the Knowledge Innovati on Program of the Chinese Academy of Sciences (No .K2003A16).＊Corres ponding author .Tel :86-411-83693403;E -mail :dicp402@mail .dlptt .ln .cn863计划(No .2003AA223061)和中国科学院知识创新工程领域前沿课题(No .K2003A16)。

代谢组学及其应用Metabonomics and its Applications杨　军1,宋硕林2,Jose Castro -Perez 3,Robert S .Plumb 4,许国旺1＊YANG Jun 1,SONG Shuo -Lin 2,Jose Castro -Perez 3,Robert S .Plumb 4and XU Guo -Wang 1＊1.中国科学院大连化学物理研究所,大连　1160111.Nat ion al Ch ro mato g ra ph ic R .&A .C ente r ,Da lian Ins titute o f Ch emica l Physi cs ,C hin es e A cad emy of Sci enc es ,Da lian 116011,C hin a2.Nih on W ater sK .K .,140-0001To kyo ,Ja pa n3.Wa ter s Co r p o rati on ,Ma nch est er ,U K4.Wa ter s Co r p o rati on ,Milfo r d MA ,US A摘　要　对代谢组学的概念、特性、发展历史做了简要介绍,综述了当前代谢组学研究中的数据采集、数据分析中采用的技术,及代谢组学在疾病诊断、药物毒性研究、植物和微生物等领域的应用,并对代谢组学的发展作了展望。

分析技术各有优势及适用范围，最好采用联用技 术和多个方法的综合分析。分离分析手段包括： 色谱、质谱、NMR、毛细管电泳、红外光谱、电化 学检测。
NMR对代谢物具有普适性；色谱-质谱联用=色谱： 高分离度、高通量+质谱：普适性、高灵敏度、高 特异性。
色谱：层析分离技术或色层分离技术，是一种分离 复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同 物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的 分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动 相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从 而使各物质达到分离。
二 代谢组学的研究方法
运用核磁共振(NMR)、质谱(MS)、气质联用技术 (GC-MS)、高效液相色谱(HPLC)等高通量、高灵敏 度与高精确度的现代分析技术对细胞提取物、组织 提取物和生物体液随时间变化的代谢物浓度进行检 测，结合有效的模式识别方法进行定性、定量和分 类，并将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学 事件关联起来，从而了解机体生命活动的代谢过程。
KNApSAcK（http://kanaya.naist.jp/KNApSAcK/)： 涵盖大部分植物物种和代谢化合物关系，包括了4 万多种化合物和8千多种植物物种的信息。
PlantCyc（)阐述了超过350种植 物体内600多种代谢途径
MassBank（www.massbank.jp):日本质谱协会发展 和维护的高分辨率质谱数据库，近25000高分辨率 质谱数据，提供了多种质谱谱图搜索手段。
步骤
样品采集和制备 代谢组数据的采集 数据预处理 多变量数据分析 标志物识别 途径分析
代谢产物分析4个层次
代谢物靶标分析：对个别特定组分分析。 代谢轮廓分析：对预设组分的分析。 代谢组学：特定样品中所有代谢物分析。 代谢指纹分析：比较代谢物指纹图谱。

第1章绪论随着人类基因组测序工作的完成，基因功能的研究逐渐成为热点，随之出现了一系列的“组学”研究，包括研究转录过程的转录组学（transcriptomics）、研究某个生物体系中所有蛋白质及其功能的蛋白质组学（proteomics）及研究代谢产物的变化及代谢途径的代谢组学（metabolomics或metabonomics）（图1-1）。

代谢组学是众多组学中的一种，是随着生命科学的发展而发展起来的。

与其他组学不同，代谢组学是通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受刺激或扰动后（如将某个特定的基因变异或环境变化后），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[1]。

所谓代谢组（metabolome）是基因组的下游产物也是最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常功能和生长发育的小分子化合物的集合，主要是相对分子质量小于1000的内源性小分子。

代谢组中代谢物的数量因生物物种不同而差异较大，据估计，植物王国中代谢物的数量在200000种以上，单个植物的代谢物数量在5000~25000，甚至简单的拟南芥（Arabidopsisthaliana）也产生约5000种代谢产物，远远多于微生物中的代谢产物（约1500种）和动物中的代谢产物（约2500种）[2]。

实际上，在人体和动物中，由于还有共存的微生物代谢、食物及其代谢物本身的再降解，到目前为止，还不能估计出到底有多少种代谢产物，浓度分布范围有7~9个数量级。

因此对代谢组学的研究，无论从分析平台、数据处理及其生物解释等方面均面临诸多挑战。

本章对代谢组学发展的历史、国内外现状、研究方法、典型应用领域及研究热点等给予了介绍。

1.1代谢组学简介生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。

自从1953年Watson和Crick建立了DNA 双螺旋结构模型后，生命科学研究的面貌便焕然一新。

[作者单位]南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所 (南京,210002)代谢组学及其研究方法和应用陈慧梅　综述　刘志红　审校关键词　代谢组学　核磁共振　质谱　代谢产物 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领域[1]。

代谢组学的研究可以追溯至上世纪80年代。

1985年,N ichols on 研究小组利用核磁共振(NMR )技术分析大鼠的尿液,意识到这可能是生命科学研究的巨大突破[2],并于1999年,提出了代谢组学(metabonom 2ics )的概念。

代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中,所有代谢组分的集合,尤其指小分子物质”,而代谢组学则是一门“在新陈代谢的动态进程中,系统研究代谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代谢本质”的科学。

细胞内的生命活动大多发生于代谢层面,如细胞信号释放、能量传递、细胞间通信等,故代谢组学被认为是“组学”研究的最终方向。

基因与蛋白质的表达紧密相连,代谢物则更多地反映了细胞所处的环境,如营养状态,药物和环境污染等影响。

正如B illy David 所言:“基因组学和蛋白质组学告诉你可能发生什么,而代谢组学则告诉你已经发生了什么”[3]。

其具体的内容:11基因组学研究的是生物体在一定的病理生理条件下,基因表达谱的改变。

但“沉默基因”及基因之间的互相调控,使得基因的“开”、“关”与生物学效应并无直接联系。

而且不能与生物体作用的靶位点直接联系。

21蛋白质组学主要是针对细胞蛋白质的变化,进行半定量测定。

蛋白质是生理功能的执行者,研究它可以很大程度地揭示病理生理机制,发现疾病的生物标志。

但蛋白质组学也存在信号通路蛋白相互影响,靶位点难以定位等缺点,而且不能动态、实时的反映整体信息。

31代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产物的小分子代谢物(MW <1K D ),反映细胞或组织在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答的变化,包括糖、脂质、氨基酸、维生素等。