代谢组入门一问一答（一）

Q1: 代谢物和代谢组学的概念是什么？
A:
● 代谢物（Metabolite）：传统的代谢概念既包括生物合成，也包括生物分解，因此理论上代谢物应包括核酸、蛋白质、脂类生物大分子以及其他小分子代谢物质，但为了有别于基因组、转录组和蛋白质组，代谢物只涉及相对分子质量约小于1000的小分子代谢物质，如氨基酸、脂肪酸、胆汁酸、维生素、糖、有机酸等，涉及代谢中间体和代谢产物。
● 代谢组学（Metabolomics or Metabonomics）：代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物总和，代谢组学则是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析，是继基因组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科，如果说基因组学和蛋白质组学告诉我们可能发生的事件，那么代谢组学则可以告诉我们实际发生的事件，因此代谢组学是基因组、转录组、蛋白组的终端体现，更能反映个体的病理生理状态，因此对于疾病的诊断，疾病的分型，基因的功能，药物的毒性和药效等判断提供直观并且有效依据，目前代谢组学在生物学的所有领域，都扮演着重要的角色。随着基因组学和转录组学的发展，代谢组学联合分析已经成为研究趋势，不仅从样本中找出差异代谢物，更从基因层面解释了代谢物变化的内在原因，反之基因层面变化，导致的代谢物变化等。

图1 说明从每项组学技术中获得的信息，以及它们的整合对充分理解现象的重要性。
A multi-omic future for microbiome studies. Nature Microbiology. 2016.

图2 代谢组学的应用
Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018

Q2: 代谢组学检测的基本原理是什么？
A:
代谢组学检测首先使用液相色谱或气相色谱，在一定压力下，代谢物由于分子量和电荷不同，从而在塔板柱中流动的速度不同，从而将不同分子量的代谢物分离，而后串联质谱仪，根据分子的荷质比不同从而在质谱仪中的飞行偏转角度不同，导致落点不同，根据不同的落点信息，与数据库进行比对，从而确定代谢物的种类。故而在代谢组学里面，数据库是否完备就成为鉴定代谢物种类的关键。通常做法是使用标准代谢物进行液质联用，记录其信息形成数据库。然后待测样本在进行液质联用的时候就会形成属于自己特有的峰形，与数据库比对后就可以确定其种类及相对含量。

图3 代谢组学分析步骤。
Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018.

图4 LC-MS概念。（A） LC分离之后是电离（通常是电喷雾）和MS检测。探测器报告特定m/z的信号强度。（B）分辨率是指质谱仪分辨类似质量的代谢物的能力。（C）色谱法是分离具有相同m/z、RT、保留时间的异构体的关键。（D） MS/MS提供化合物中化学成分的信息，有助于代谢产物的鉴定。
Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018.

Q3: 代谢组学主要检测平台有哪些，怎么选择？
A:

综上，三个检测平台之间具有互补性，需要根据自身需求（例如重点分析的代谢物成分和性质）和样本情况（什么物种，什么样本）来选择合适的检测平台。但是一般情况还是建议首选LC-MS平台，这是因为LC-MS平台分离得到的代谢物范围最广、其检测灵敏度最高；另外LC-MS平台不需要衍生化处理，因此组间平行对比分析结果更好；最关键的一点就是目前使用LC-MS平台的研究人员和机构相比其它两个平台更多。

Q4: 代谢组学主要研究方法有哪些？
A:

综上，两种研究方法具有强烈互补性，如果老师在实验前期没有特别关注的代谢物建议优先进行非靶向代谢组学检测，这样可以检测出所有组别样本的代谢物（定性和相对定量），通过组间比较分析寻找出目标差异代谢物；如果老师有感兴趣的目标代谢物可以做进一步的靶向代谢组学检测（定性和绝对定量），从而对特定的代谢物进行有针对性的特异性检测。

Q5: 代谢组数据分析大概套路是什么？
A:
1)        信息峰提取识别，描述检测到的代谢物种类；
2)        PCA分析代谢物在组内的重复性和组间的差异性；
3)        筛选组间差异代谢物；
4)        分析差异代谢物所分布的信号通路；
5)        基于差异代谢物的疾病诊断模型构建；
6)        多组学关联分析等

图5 代谢组学数据集的可视化。（A）代谢产物浓度变化的热图。（B）主成分分析。（C）显示特定代谢物天冬氨酸数据的条形图。（D）使用分析软件识别受影响的代谢途径。（E）特定代谢途径图，每个矩形都是一种代谢物。

Q6: 代谢组要求每组多少个生物学重复？
A:
如果是临床样品每组建议是50-60个具有代表性的生物学重复，最少30个生物学重复；动物和植物样本每组建议10个具有代表性的生物学重复，最少6个生物学重复；细胞/微生物样本每组建议10个具有代表性的生物学重复，最少6个生物学重复，这些和微生物多样性测序的每组生物学重复数要求是一致的，方便后期的微生物组+代谢组的联合分析。

Q7: 代谢组可以检测哪些样本？
A:
代谢组常见的检测样本包括血清、血浆、粪便/肠道内容物、尿液、唾液/痰液、胆汁、动物及临床组织、细胞、微生物/菌体、植物样本（根、茎、叶、花、果实）、土壤、淤泥、水体等。

Q8: 代谢组样本取样有什么注意问题？
A:
一般建议采取新鲜样品，采样后务必立即冷冻保存（可以置于液氮、干冰或者-80°C冰箱中），送样时使用干冰运输，尽可能地保持样品中样本中的代谢物最原始状态，防止取样后的其进一步的代谢反应；同时提醒老师取样时需要多备份，充分考虑其它实验的同时进行，例如微生物扩增子测序或宏基因组测序，宿主转录组测序等。

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