代谢组学技术和生物信息学
摘要
代谢组学是对生物体内所有细胞或是大量细胞代谢物进行定性分析，像其他功能基因组学的研究，代谢组学的研究也会生成大量数据，这些数据的处理分析过程需要专业的数学、统计学和生物信息学的工具，所以很具有挑战性。代谢组学需要通过数据与信息的管理、原始数据分析处理，代谢组学标准化和本体论、统计学分析和数据挖掘，数据整合以及系统生物学代谢网络框架的数学模型与生物信息学建立关系。本文主要概述了随着现代分析工具的发展，那些用于代谢组学的特定的生物信息学方法。
关键词：代谢组学、代谢图谱、质谱、GC-MS、LC-MS、CE-MS、生物信息学
引言
代谢组学是测量生物细胞所有的代谢物或大部分的代谢物的一门科学。代谢组学是最初被认为是功能基因组学的一种方法[1],但其作用远远超过于此，无论任何时候，评估其代谢物水平的变化是很重要的。其应用的例子存在于微生物、植物和动物包括人类。代谢组学可用于突变体的比较,评估环境胁迫反应(3、4),研究遗传操纵对生物体的整体影响[5],比较不同生长阶段[6、7],毒理学[8],药物发现[9],营养(10 - 14),癌症[15],糖尿病[16]天然产物的发现[17]。代谢物
分析,是否针对特定或非特定的代谢物类都可以作为一种工具，应用于系统生物学(18、19),代谢物快照[20]通过数学模型研究细胞动力学(24、25)。主要有三种代谢组学研究方法:1.靶标分析,2.代谢物分析和 3.代谢指纹分析(表1)(26、27)。
靶标分析是最发达的代谢组学分析方法。它是用来测量数量有限的、已知的浓度的精确代谢物。对于靶标分析,人们必须知道目标代谢物的结构和正确的分析方法来准确测量样品的浓度。靶标分析是一个真正的定量测量方法，对已知代谢物的检测具有很低的限制。它也可以根据感兴趣的分析物使用高通量模式,。主要的限制为，代谢组学靶标分析是对已知化合物的检验,必须是纯化的形式。目前大量的代谢物使用现有的分析技术根本无法确认样品,还有许多代谢物,可以识别,但纯化达不到标准。因此,这种方法不能被用来识别新的代谢标记,或者分析目前所有代谢物水平的改变。以后,当更多的代谢产物会被识别的时候，纯化合物可以发展为定量分析,靶标分析将用来调查代谢物水平的改变，因为它提供了真正的定量数据。
代谢指纹分析
代谢指纹并不能识别或精确量化所有的代谢物样品。相反,它以一个总体,或指纹图谱作为一种独特的模式，来描述一个特定的细胞或组织新陈代谢的情况[28]。模式识别工具
用于指纹的分类和鉴定概要文件的每个特征模式的具体功能。代谢指纹对生物标志物的发现和诊断是最有用(29、30)。指纹识别通常依靠光谱技术,如核磁共振(NMR)[31-33],傅里叶变换红外光谱(FT-IR)(34、35),傅里叶变换离子共振质谱仪(FTICR-MS)或质谱(MS)[28]，可以直接接收物理光谱不需要事先分离技术如色谱或电泳。代谢指纹的缺点是它不可以直接比较代谢途径因为样品中的化合物都不能很容易被识别出来。代谢指纹被广泛用于发现特定的疾病代谢模式(36、37)。代谢指纹分析通常结合模式识别和判别分析技术(2、30 38-42)
代谢物谱
代谢物谱是对样品中代谢物水平的衡量。代谢物谱在生物医学科学领域是一种行之有效的方法，通常用于生物液体的诊断，帮助描述一个病人的状态。这些配置文件通常是由少数代谢产物（也许蛋白质）组成，现在被扩展到更多[19]。最近，研究人员更加重视代谢物谱作为功能基因组学的扩展。科学家们推测，分析细胞内部的代谢图谱可以帮助人们鉴定基因的功能，特别是当在该基因的突变体没有明显的表型[1]。其基本原理是，虽然该突变会对生物体产生影响，但细胞的调控机制采取行动来抵消这种影响，最终的结果就是，没有肉眼可观察到的明确的现象，。但是，这些调节机制将改变在代谢网络中代谢物浓度，并且如果
可以测量这些代谢产物的水平，我们就可以从代谢物的水平的改变来推测该基因的功能[1，2，21，43]。这里的第一个含义是，预先不知道那种代谢物水平会改变，结果呈现的所有可能的代谢物谱都可以理解;第二个含义是研究一些突变体的代谢物谱可能会帮助相关的代谢网络的发现[44-46]。代谢物谱在功能基因组学中的应用，类似于转录和蛋白分析，而像这些，对于建立细胞中的完整代谢网络及代谢组是很有用的。
分析方法
这里有很多技术可以用于代谢物谱的分析。每种技术都有相对的优势和缺点（表2）。因此，要获得一个组织较全面的代谢组必须使用将不同分析技术进行组合。最常用于代谢物图谱的分析技术包括NMR[8]，气相色谱 - 质谱（GC-MS）[48]，液相色谱 - 质谱（LC-MS）[49-51]和毛细管电泳 - 质谱质谱（CE-MS）[52-54]。显然，没有一个分析方法适合于所有的代谢物，因此，分析多数不同极性和分子量的代谢物技术组合是必要的。
代谢物提取
代谢物提取过程的第一个要求就是全面性,即提取过程应该适合大部分的细胞代谢产物。其他主要的要求是酶活性的抑制，为了防止提取过程中可能的降解或代谢物的内部转化。为此,高酸/碱和高有机溶剂在提取中是必要的。没
有单一的提取方法适合细胞内所有代谢物或组织。通常的提取步骤对特定化合物类和/或分析技术定制的。代谢组学由于提取方法所需的全面性而构成了重大挑战。提取条件,一方面要保护一类代谢物，但不可避免地破坏其他类型的代谢物,使它很难在全面性和代谢物的稳定之间找到合适的平衡点。最近,一些研究正着手评估不同提取方法对代谢组学的适用性。最后,提取方法应该适应代谢物改变范围和要求，从而使用具体的分析技术。提取的方案通常有一个或多个内部代谢产物量化标准，为后续的代谢物定量做准备，从样本中评估他们的重获率。
核磁共振(NMR)
核磁共振适合代谢组学研究因为因为它可以专一性地识别，同时量化在微摩尔量级范围变化的广泛的有机化合物[3,57-59]。与MS不同,核磁共振对样品是无损害的,所以可以进行进一步的样品分析。核磁共振样品制备很简单，在很大程度上可以实现自动化。然而,核磁共振光谱分析复杂混合物一直困难重重。核磁共振已被广泛用于代谢物指纹图谱,分析和代谢通量分析（3,32,36,58、60)。核磁共振对综合代谢物的分析的主要限制是其相对低的灵敏度，让它不太适用于许多低丰度的代谢物的分析。
质谱分析
由于其高灵敏度和大范围的覆盖代谢产物,MS已成为许多
