代谢组学的6个里程碑:推动我们对代谢组的理解

在系统生物学中，代谢组学被认为是相对较新的领域¹．尽管如此，代谢研究的第一份报告可以追溯到1000年以前。值得一提的是，代谢图谱出现在3000多年前的中国古代。医生用蚂蚁来评估病人的尿液，以检测尿液中是否含有高水平的葡萄糖，以此作为糖尿病的一个指标²．与此同时，印度和埃及的医生还记录了其他关于“筛查”尿液中葡萄糖含量高的方法，包括用苍蝇和味觉(我打赌他们希望听说过用蚂蚁)。

代谢组学的里程碑列表将集中于一些现代突破和用于实现这些突破的分析技术。首先，我们跳到20世纪40年代罗杰·威廉姆斯的作品^3.．

特有的代谢模式

威廉姆斯和他的同事们认为，个体可能有一种“代谢模式”，可以通过研究他们的生物体液来识别指纹^3.．研究小组利用了20多万份纸质色谱图的数据，令人信服地表明，代谢模式在受试者之间存在显著差异，但在个体之间相对一致。Williams继续使用他的方法检查了来自不同受试者的样本，包括酗酒者、精神分裂症患者和精神病院的居民，并提供了证据，证明这些群体都有其特有的代谢模式。

色谱法，质谱法和新词

在Williams和他的团队的工作之后，该领域一直处于休眠状态，直到20世纪60年代末，当气相色谱(GC)、液相色谱(LC)和质谱(MS)的进步使代谢物的定量测量成为可能。1971年，霍宁和他的团队成功地使用GC-MS测量了人类尿液和组织中的代谢物，并创造了“代谢谱”一词。⁴．在20世纪70年代和80年代，霍宁与鲍林和罗宾逊一起，领导了基于气相色谱-质谱技术的发展，用于生物液体中的代谢测量⁵．基于MS的代谢组分析仍然是系统生物学方法的选择⁶．

核磁共振光谱学

随着GC、LC和MS的发展，NMR波谱学也在迅速发展。1974年，Seeley和他的团队强调了核磁共振的价值，利用31P核磁共振检测未经修饰的生物样品中的代谢物。这是对肌肉的首次研究，确定90%的细胞ATP与镁复合物⁷．具有较高的磁场强度和魔角旋转⁸提高了灵敏度，将NMR作为关键的分析工具。杰里米·尼克尔森教授实验室的工作一直是将NMR用于代谢组学的驱动力。1984年，尼克尔森和他的团队证明了核磁共振在糖尿病诊断中的可能用途。值得一提的是尼克尔森教授对该领域的投入，他在接受ASBMB Today采访时回忆道:“我快把我妻子逼疯了，因为我在自己身上做实验，这扰乱了家庭。我决定彻底禁食48小时，每隔几个小时检查一次我的尿液。我几乎实时地看着自己酮症的发展。她看着我的脾气越来越坏⁹．1D、2D、3D和固态核磁共振的发展和后续使用提供了许多优势，并确保核磁共振在许多代谢组学研究中继续发挥关键作用¹⁰．

第一个web数据库

它于2004年由斯克里普斯研究所的Suizdak实验室创建，包含超过10,000种代谢物和串联质谱数据。METLIN是第一个表征人类代谢物的代谢组学网络数据库。截至2017年5月，METLIN包括超过960,000个分子，包括脂类、类固醇、植物和细菌代谢物、小肽、碳水化合物、外源性药物/代谢物、中心碳代谢物和毒物¹¹．尽管METLIN是第一个网络数据库，但它绝不是唯一的一个，代谢组学学会从他们的网站上链接了总共35个数据库¹²．

人类代谢组的初稿

2005年1月启动的人类代谢组计划(HMP)是由阿尔伯塔大学的David Wishart博士领导的一个多大学、多研究者的项目，该项目对人类组织和生物流体中所有已知的代谢物进行了编目。HMP于2007年1月发布了人类代谢组的第一份草案，其中包括大约2500种代谢物、1200种药物和3500种食物成分的数据库¹³．来自HMP的所有信息都被存档在人类代谢组数据库中，这是一个免费访问的网络资源。自HMP完成以来，类似的植物物种研究项目已经进行了几年，包括截叶苜蓿和拟南芥。

高通量代谢组学

代谢组学应用的高通量方法的开发是大规模研究和常规临床实践所必需的。然而，基于ms的代谢组学受到耗时的分析工作流程和稳健性问题的限制¹⁴．

2015年，Uwe Sauer和他的团队首次展示了实时代谢组分析。使用流动注射TOF-MS，他们开发了一个能够快速、连续和无人值守操作的平台，适用于整个细胞-肉汤¹⁵．

大规模的代谢组学研究被越来越多地使用。新的质谱方法提供了数量级更快的细胞代谢组内小分子分析，有助于为真正的高通量代谢组学铺平道路¹⁶．

2017年4月，Kirk Hansen和他的团队描述了一种利用UHPLC和快速扫描高分辨率MS技术最新技术进步的3分钟方法¹⁴．他们将其描述为将快速流动注射TOF-MS的优势与传统色谱代谢组学的选择性相结合。虽然不适用于所有化合物的测量，但该方法的鲁棒性使其可用于与基础科学和临床常规实践相关的广泛生物基质的分析，包括生物流体、细胞和组织提取物。

提到高通量代谢组学，就不能不提到单细胞代谢组学。当谈到理解细胞行为时，似乎毫无疑问，这将是非常重要的。然而，在最近发表在《化学生物学的当前观点》上的一篇文章中，Sauer将其描述为“滞后”，并且“受到目前MS局限性的阻碍，与显微镜的不良集成，以及缺少微操作的自动化”。¹⁶．不管目前的情况如何，单细胞代谢组学显然是一个值得关注的领域。

你觉得我们的名单怎么样?还有其他我们应该包括的里程碑吗?请联系我们，让我们知道。

参考文献

1.Djukovic, D.和Nagana Gowda, G. A，“基于质谱的代谢组学概述:机遇和挑战”，方法Mol. Biol。(2014)， doi: 10.1007/978-1-4939-1258-2_1

2.van der Greef, J.和Smilde, A. K.，“Symbios是化学计量学和代谢组学:过去，现在和未来，”J.化学计量学(2005)，doi: 10.1002/cem.941

3.盖茨，S. C.和斯威利，C. C.，“基于气相色谱的定量代谢图谱。临床化学，(1978)，24:1663-1673。

4.Horning, e.c.和Horning, m.g.，“通过GC和GC/MS获得的人体代谢剖面。J.色谱科学。， https://doi.org/10.1093/ chromsci/9.3.129。

5.Griffiths, W. J.和Wang, Y.“质谱:从蛋白质组学到代谢组学和脂质组学”，Chem Soc Rev (2009)， doi:10.1039/ b618553n。PMID 19551169。

6.Aretz, I.和Meierhofer, D.，“系统生物学中基于代谢组分析的质谱分析的优势和缺陷”，国际分子科学杂志(2016)doi: 10.3390/ijms17050632

7.Seeley, P. J.等人，“使用31P核磁共振观察组织代谢物”，自然(1974)，doi:10.1038/252285a0

8.https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_angle_spinning

9.http://www.asbmb.org/asbmbtoday/201301/Feature/Nicholson/

10.Kruk, J.等人，《代谢组学研究中的核磁共振技术:应用实例的快速概述》，应用Magn磁共振。(2017) doi: 10.1007/s00723-016-0846-9

11.http://metlin.scripps.edu/landing_page.php?pgcontent=mainPage

12.http://metabolomicssociety.org/resources/metabolomics-databases

13.Wishart, d.s.，等人，“HMDB:人类代谢组数据库”。《核酸研究》(2007)，doi:10.1093/nar/gkl923。

14.Hansen, K. C.等人，“高通量定量代谢组学和中心碳和氮途径定量追踪实验的三分钟方法，”质谱快速通信(2017)，doi: 10.1002/rcm.7834

15.Sauer, U.，“饥饿和生长之间代谢开关的实时代谢组分析”，自然方法(2015)doi:10.1038/ nmest .3584

16.Sauer, U.“高通量代谢组学前沿”，化学生物学Current Opinion (2017)， http://dx.doi.org/10.1016/j.cbpa.2016.12.006