代谢组学的最新进展：快速、高灵敏度和高通量分析

　　代谢组学致力于研究生物系统中存在的小分子或代谢物。通过分析生物体或细胞内存在的代谢物来得到其生理状态的化合物指纹谱。

　　从营养、食品科学到了解人类疾病，代谢组学表征在许多领域中具有广泛的应用。随着分析技术的不断发展和功能的增强，这个应用领域将会越来越广。

　　为了进一步了解代谢组学的最新进展以及随之发展的技术，Technology Networks科学作家Molly Campbell采访了布鲁克•道尔顿全球技术负责人Lucy Woods。

布鲁克·道尔顿全球技术负责人Lucy Woods

摄于澳大利亚墨尔本沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所（Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research，WEHI）

　　Molly Campbell (MC): 近年来，代谢组学领域发展迅速，现在看来，科学界已经普遍认为代谢组与基因组、转录组和蛋白质组同等重要。您认为代谢组学为什么如此突然的被认可？

　　Lucy Woods (LW): 与这种认可度增加最息息相关的一个原因是，表型是每个人对特定刺激反应的个性化视图，而代谢组的变化与表型联系最为紧密。加上最近发现的微生物组的重要性，以及受这种共生作用影响的无数小分子信号通路，使得代谢组学进一步受到关注。

　　让我们想象一下，当你吃一个汉堡包，不同的组学水平会发生什么情况。在时间尺度上，对基因组水平的影响很可能是忽略不计的。另一方面，转录组和蛋白质组将发生变化，例如在进食后的某个时间会转录编码脂肪酶的基因，这些转录最终导致脂肪酶的增加来缓解食物消化的压力。然而人类代谢组反应更为迅速，体内已经存在的脂肪酶马上就会开始代谢食物。因此，脂质和代谢物的变化将很快被检测到。一旦转录表达更多的脂肪酶蛋白，脂质的降解将加速。这个例子诠释了理解基因组、转录组、蛋白质组和代谢组之间相互作用的重要性。同样，通过使用大型队列分析研究中确定的生物标志物，监测代谢组可以直接反映人体当前健康状况。

　　技术的进步也使更多的研究人员能够结合代谢组学来进行交叉组学研究。现已提供用于样品制备、硬件和软件工作流程的标准操作程序（SOP），涵盖质谱（MS）和核磁共振（NMR）技术的解决方案，正在降低该研究领域的准入门槛。目前，我们发现代谢组学研究受到越来越广泛的关注。

　　MC: 布鲁克提供了哪些质谱分析技术用于代谢组学分析？如何对这些技术进行优化以实现目标？

　　 LW: 布鲁克引入多一维分离，为代谢组学分析增加信心。捕集离子淌度（TIMS）是一种独特的淌度分离类型，它可以在不影响灵敏度情况下避免等重干扰并分离同分异构化合物。timsTOF Pro上进一步发展了PASEF（平行累积连续碎裂技术）方法，可在蛋白质组学领域实现高通量和高灵敏度的分析。针对代谢组学和脂质组学对PASEF方法进行了优化，与蛋白质组学一样，可在扫描速度和灵敏度上得到相同的提升。在脂质组学分析中，仅相差几个毫道尔顿的等重异位脂质通常会共洗脱，但是使用TIMS可以分离这些脂质。使用PASEF技术可使得每个脂质单独被碎裂，从而减少了共谱现象，增加了所有脂质注释的可信度。

　　布鲁克开创性地提出了空间定位组学（SpatialOMx）的概念，通过对组织里的内源性脂质、聚糖和其他小分子等进行成像，以帮助破译分子信号。使用SpatialOMx可以进一步从组织样本中选择特定的亚细胞区域，以进行更深入的代谢组学分析，从而更好地了解肿瘤边缘的细胞是如何开始改变的。timsTOF fleX质谱结合SCILS和MetaboScape软件是首个实现SpatialOMx的完整解决方案，使用代谢组学的方法深入理解组织的微观不均一性。

　　对高通量分析的需求使得大规模表型组学研究越来越受到关注。要分析大量样本，系统必须既具备灵敏度又能够在数周内连续测量样本。稳定性研究展示了布鲁克QTOF在分析大量样品时，性能并没有下降，这个结果在表型组学研究领域占据着领先地位。

　　MC:请您介绍一些布鲁克客户正在进行的、激动人心的前沿代谢组学研究案例。

　　LW: 澳大利亚国家表型组学中心（ANPC）是莫道克大学与布鲁克之间合作的国际合作的成果，该中心形成了国际领先的代谢表型专业知识中心。ANPC由国际人种学研究先驱Jeremy Nicholson教授和Elaine Holmes教授创立，是进一步扩大人类健康知识以及疾病成因和预防方法的关键一步。它是由Nicholson教授领导的国际表型组学中心网络（IPCN）的附属机构。ANPC主要与医院、大学和医学研究机构紧密合作，研究基因、环境和生活方式与人类新陈代谢健康间复杂的相互作用，从而帮助改善人们的生活质量和寿命。

　　互补的NMR和MS方法将结合起来以实现这一目标，包括在timsTOF Pro上使用PASEF代谢组学方案。为了进一步提高样品通量，采用创新的流动注射分析MRMS aXelerate，实现了每天筛查250多个样品。在大于一百万分辨率的MRMS平台上，可以通过同位素精细结构确定元素组成，这是由被测分子内的天然同位素产生的独特质谱特征。通过化合物中不同同位素贡献值形成的质谱特征，可实现高可信度的分子组成注释。

　　MC: 研究人员在代谢组学研究中遇到的最大挑战是什么？布鲁克如何克服这些挑战？

　　LW: 最大的挑战之一是对已知化合物的可靠鉴定以及未知化合物的鉴定。利用同位素的精细结构能够确定未知物分子式，以发现“dark metabolome”中存在的物质。为了实现化合物的可靠鉴定，通常使用基于数据库检索的方法，其中必须提供保留时间、准确的质量、同位素特性信息和碎片质谱图，来可靠地解析复杂样品中的化合物。timsTOF技术可以增加多一维的特征，即碰撞横截面（CCS），以增加对结构解析可信度。CCS值是气态离子的特性，可独立于所使用的色谱法重复测量。使用TIMS可以可靠且重复地测量所有类型待测物的CCS值。此外，对于所有常见类别的脂质，CCS值是可以进行预测的，因此基于预测的CCS值可对未知的脂质进行注释。此CCSPredict工具内置于软件Metaboscape中，该软件是布鲁克提供的一种直观且用户友好的数据评估软件。

　　MC:您对五年后的代谢组学领域有何展望？

　　LW: 我们正处于大数据时代，随着纵向研究和大型队列研究成为常规分析，软件将在五年内发挥更大的作用。随着基因组学、蛋白质组学和表型数据对人类健康产生积极影响，降低代谢组的分析成本将变得至关重要。如果纵向数据可以用作人体健康基线的判断标准，人的代谢组的变化可能会成为预后诊断标准。人类基因组已在20年前进行了解码，蛋白质组学研究发展了将近20年，而大规模的代谢组学研究才刚刚开始。在未来五年里，随着计算机科学的飞速发展，交叉组学将在临床应用方面有着广阔的应用前景。

　　布鲁克•道尔顿全球技术主管（UHR-QTOF）Lucy Woods与技术网络科学作家Molly Campbell交谈记录。