代謝組學(xué)在生物信息學(xué)專業(yè)中的教學(xué)探討

梁中潔,楊曉勤

(蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇蘇州 215123)

一、代謝組學(xué)與生物信息學(xué)

人類基因組計(jì)劃的基本完成標(biāo)記著后基因組時(shí)代的來(lái)臨。在面對(duì)基因組功能分析這一主要任務(wù)中，其核心思想是以系統(tǒng)和聯(lián)系的觀點(diǎn)來(lái)看待生物體內(nèi)的物質(zhì)，研究遺傳信息如何通過(guò)基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄向功能蛋白質(zhì)傳遞，基因功能如何由其表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)及代謝物來(lái)體現(xiàn)。與基因組、轉(zhuǎn)錄組及蛋白質(zhì)組相比，代謝組學(xué)研究的代謝物組更接近生命活動(dòng)的下游。DNA、mRNA 以及蛋白質(zhì)的存在為生物過(guò)程的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而代謝物的變化可以反映發(fā)生了的生物學(xué)事件[1]。

與基因組和蛋白質(zhì)組的復(fù)雜序列數(shù)據(jù)庫(kù)相比，代謝組學(xué)的代謝物信息庫(kù)相對(duì)簡(jiǎn)單。代謝物的種類相對(duì)較少，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)也要簡(jiǎn)單得多。此外，代謝物作為生命活動(dòng)的下游信號(hào)，對(duì)代謝產(chǎn)物的分析能更加準(zhǔn)確有效地反映生物體的生理狀態(tài)。同時(shí)，代謝組學(xué)也存在局限性。目前的代謝組學(xué)分析不能將生物體所有的代謝產(chǎn)物全面涵蓋。在針對(duì)樣本的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，大多實(shí)驗(yàn)儀器存在動(dòng)力學(xué)局限性。

作為全局系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)和系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)重要組成部分，代謝組學(xué)是典型的交叉學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容涉及儀器分析、化學(xué)計(jì)量學(xué)和生物化學(xué)等學(xué)科。普遍認(rèn)為代謝組學(xué)這一概念是由Jeremy Nicholson教授于1999年提出來(lái)的。Nicholson教授也因?yàn)樗诖x組學(xué)發(fā)展上的開(kāi)拓性貢獻(xiàn)，被學(xué)術(shù)界公認(rèn)為代謝組學(xué)的創(chuàng)始人，被稱為“代謝組學(xué)之父”。作為生物信息學(xué)專業(yè)的專業(yè)課程，如何將代謝組學(xué)的研究方法引入到課堂教學(xué)過(guò)程中，是生物信息人才培養(yǎng)值得關(guān)注的教學(xué)研究問(wèn)題。

二、代謝組學(xué)的研究方法

（一）樣品的采集與制備

在開(kāi)展代謝組學(xué)研究時(shí)，第一步是要采集足夠量的樣本并進(jìn)行制備。足量的樣本可以減少個(gè)體差異對(duì)結(jié)果分析的影響。在樣本采集過(guò)程中要充分考慮樣品的部位、種類及收集樣本的時(shí)間。在采集人類的組織樣本時(shí)，要充分考慮年齡因素對(duì)代謝物的影響，還要考慮地域、飲食、晝夜等具體因素。在研究微生物樣本時(shí)，微生物代謝物樣品的制備一般分為微生物培養(yǎng)、淬滅和代謝產(chǎn)物的提取。根據(jù)研究對(duì)象及分析技術(shù)的不同，樣品后續(xù)的提取和預(yù)處理方法也不同。在樣品存儲(chǔ)過(guò)程中，最好選擇-80℃進(jìn)行保存。在分析過(guò)程中對(duì)樣本也要有嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

（二）代謝組數(shù)據(jù)的采集

由于代謝物小分子的復(fù)雜性，代謝物在分子量、揮發(fā)性、電遷移率、極性以及其他理化參數(shù)方面差異很大，現(xiàn)有的分析技術(shù)很難滿足對(duì)所有代謝物小分子進(jìn)行分離檢測(cè)。因此，在代謝組學(xué)研究中經(jīng)常采用聯(lián)用技術(shù)和多個(gè)方法的綜合分析。目前代謝組學(xué)常用的分離分析手段包括稀薄氣液色譜技術(shù)（TLC）、高效液相色譜技術(shù)（HPLC）、質(zhì)譜技術(shù)（MS）、核磁共振技術(shù)（NMR）、紅外線光譜技術(shù)（IR）及高效毛細(xì)管電泳技術(shù)（HPCE）等。其中聯(lián)用手段氣相色譜與質(zhì)譜共用技術(shù)（GC/MS）、液相色譜與質(zhì)譜共用技術(shù)（LC/MS）及液相色譜與質(zhì)譜先后使用技術(shù)（LC/MS/MS）兼?zhèn)渖V的高分離度、高通量及質(zhì)譜的普適性、高靈敏度和特異性。而作為當(dāng)前代謝組學(xué)研究中的主要技術(shù)，NMR具有較高的通量和較低的單位樣品檢測(cè)成本，對(duì)樣本具有無(wú)創(chuàng)性和無(wú)偏性，并有良好的客觀性和重現(xiàn)性。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限，檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低，同時(shí)購(gòu)買儀器需要大量的資金投入。同時(shí)為了改善靈敏度，研究者們多采用液相色譜-核磁共振聯(lián)用(LC-NMR)技術(shù)。

（三）代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理與分析方法

代謝組學(xué)研究產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有高維、高噪聲等組學(xué)數(shù)據(jù)特征。從復(fù)雜的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中找到有價(jià)值的信息成為近年來(lái)代謝組學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。在模式識(shí)別分類計(jì)算之前，應(yīng)采用合適的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。處理手段主要包括歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其中，歸一化主要是對(duì)樣本進(jìn)行操作，為了減輕生物個(gè)體間較大的代謝物濃度差異或樣品采集過(guò)程中的差異，可以使用代謝物的相對(duì)濃度來(lái)校正個(gè)體差異對(duì)代謝物絕對(duì)濃度的影響。標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)代謝物進(jìn)行的操作，主要是為了消除不同代謝物濃度數(shù)量級(jí)的差別帶來(lái)的影響。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性變換將偏態(tài)分布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)稱分布的數(shù)據(jù)，以此來(lái)滿足線性分析技術(shù)的要求。

代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析過(guò)程主要采用模式識(shí)別技術(shù)，根據(jù)樣本的標(biāo)簽信息分為非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法是在不使用樣本標(biāo)簽的情況下，從原始譜圖信息出發(fā)對(duì)樣本進(jìn)行歸類，并采用可視化技術(shù)直觀地表達(dá)出來(lái)。主要有主成分分析方法(PCA)、非線性映射及聚類分析等。有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法是在已知樣本標(biāo)簽的情況下建立類別間的數(shù)學(xué)模型，并利用建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)未知的樣本進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)。這種方法需要建立用來(lái)確認(rèn)樣品歸類的訓(xùn)練集和用來(lái)測(cè)試模型性能的測(cè)試集。常用方法有偏最小二乘判別分析(PLS-DA)、支持向量機(jī)(SVM)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

在生物體內(nèi)，不同基因、蛋白及代謝物相互協(xié)調(diào)行使其生物學(xué)功能，基于通路的分析有助于更進(jìn)一步了解代謝物的生物學(xué)功能。通路顯著性富集分析通常以KEGG通路為單位，應(yīng)用超幾何檢驗(yàn)，找出與整個(gè)背景相比，在差異代謝物中顯著性富集的通路。通過(guò)通路富集分析確定差異代謝物參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和生化代謝途徑。如果通過(guò)傳統(tǒng)的KEGG富集分析沒(méi)有找到研究相關(guān)的典型的代謝通路，還可以利用MSEA進(jìn)行代謝通路的富集分析。另一方面，代謝網(wǎng)絡(luò)成為揭示海量的生物大分子、代謝小分子及其間的相互作用的重要工具。代謝網(wǎng)絡(luò)把所有生化反應(yīng)表示為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，反映所有參與代謝過(guò)程的反應(yīng)物之間以及催化酶之間的相互作用。關(guān)于代謝網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化的研究已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年，并且代謝網(wǎng)絡(luò)正在從小規(guī)模系統(tǒng)演變?yōu)橄到y(tǒng)生物學(xué)中的大基因組規(guī)模的代謝網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)是生物界的一種無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，具有不同的層次，代謝網(wǎng)絡(luò)一直處于對(duì)環(huán)境的變動(dòng)的響應(yīng)之中。通過(guò)代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)合組學(xué)數(shù)據(jù)的研究更有利于我們對(duì)疾病發(fā)生發(fā)展的認(rèn)識(shí)，為藥物研發(fā)提供有價(jià)值的線索。

（四）代謝組學(xué)應(yīng)用方向

目前，代謝組學(xué)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如疾病診斷及預(yù)后、藥物開(kāi)發(fā)及毒副作用研究、植物代謝組學(xué)和微生物代謝組學(xué)等多個(gè)方面[3]。在疾病研究中，代謝組學(xué)可以用于疾病的診斷、治療和預(yù)后的判斷。對(duì)病人的代謝物組進(jìn)行全面的測(cè)定，不僅可以用于疾病的診斷，而且可以對(duì)疾病從發(fā)病開(kāi)始到疾病加重的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在疾病的診斷過(guò)程中，生物標(biāo)志物(Biomarker) 作為后基因組時(shí)代精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵詞之一，是指一種可客觀檢測(cè)和評(píng)價(jià)的分子特征。生物標(biāo)志物可作為正常生物學(xué)過(guò)程、病理過(guò)程或治療干預(yù)藥理學(xué)反應(yīng)的指示因子，尋找和發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的生物標(biāo)志物已經(jīng)成為當(dāng)前個(gè)性化醫(yī)療的研究熱點(diǎn)。生物標(biāo)志物可以是和特定疾病特征相關(guān)的基因類信息（如單核苷酸多態(tài)性或者DNA的甲基化）、蛋白質(zhì)（如前列腺特異性抗原）或代謝物（如葡萄糖或膽固醇）等等。眾所周知，異常的基因不一定產(chǎn)生功能異常的蛋白質(zhì)；類似地，異常蛋白質(zhì)不一定會(huì)對(duì)代謝物造成不利的影響。因此跟基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)的研究相比，代謝組學(xué)由于與表型更為接近，更適于疾病分型和標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的研究，從而對(duì)疾病發(fā)展進(jìn)度做出有效診斷并及時(shí)進(jìn)行預(yù)防和治療。

代謝組學(xué)在藥物研究方面也有極大的應(yīng)用價(jià)值。首先，是在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)整個(gè)代謝組進(jìn)行系統(tǒng)全面地分析，獲取大量代謝物的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)差異代謝物分析疾病的發(fā)病機(jī)制，為生物標(biāo)志物及潛在的藥物靶標(biāo)提供重要的理論線索。其次，代謝組學(xué)在藥物毒副反應(yīng)研究中也有很高的應(yīng)用價(jià)值。理論上講，無(wú)論是藥物的毒性還是療效均是通過(guò)藥物或者代謝物影響基因表達(dá)，改變蛋白質(zhì)活性，調(diào)控內(nèi)源性代謝網(wǎng)絡(luò)而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生作用。因此，通過(guò)分析血液、尿液或組織的代謝組就有可能獲取藥物代謝動(dòng)力學(xué)、毒理學(xué)及藥理學(xué)的豐富信息。最后，代謝組學(xué)在天然產(chǎn)物研究中發(fā)揮了很大的作用。代謝組學(xué)中的儀器分析方法對(duì)生物體系的代謝物進(jìn)行定性和定量研究中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，成為天然產(chǎn)物研究和開(kāi)發(fā)的重要工具。一系列公開(kāi)、方便且注釋良好的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和全功能軟件的開(kāi)發(fā)促進(jìn)了天然產(chǎn)物大數(shù)據(jù)的集成、處理和解釋。

在藥物開(kāi)發(fā)中，代謝組學(xué)可用于藥物靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)及天然產(chǎn)物的篩選，并在藥效及毒副作用評(píng)價(jià)和臨床評(píng)價(jià)等方面有著廣泛的應(yīng)用。在植物代謝組學(xué)中，通過(guò)代謝輪廓和代謝指紋圖譜進(jìn)一步了解植物的代謝途徑。在微生物代謝組學(xué)研究中，代謝組學(xué)技術(shù)可以用于微生物表型分類、微生物代謝工程及微生物降解環(huán)境污染等方面。

（五）代謝組學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)

隨著代謝組學(xué)分析及檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，積累了大量代謝組學(xué)數(shù)據(jù)。目前，應(yīng)用廣泛的人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)(HMDB)于2007年首次發(fā)布，被認(rèn)為是人類代謝研究的標(biāo)準(zhǔn)代謝組學(xué)資源。HMDB包含有關(guān)人類代謝物及其生物學(xué)作用、生理濃度、疾病相關(guān)性、化學(xué)反應(yīng)、代謝途徑和參考光譜的綜合信息。HMDB可被應(yīng)用于代謝組學(xué)、臨床化學(xué)、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等研究。藥物研究數(shù)據(jù)庫(kù)DrugBank包含批準(zhǔn)的小分子藥物、批準(zhǔn)的生物制劑、營(yíng)養(yǎng)藥品、實(shí)驗(yàn)藥物及藥物靶標(biāo)信息。該數(shù)據(jù)庫(kù)還開(kāi)辟了針對(duì)COVID-19的專欄，系統(tǒng)總結(jié)了新冠肺炎相關(guān)研究情況，幫助研究人員快速地獲取所需信息。代謝通路數(shù)據(jù)庫(kù)SMPDB是一個(gè)交互式的、可視化的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含僅在人類中發(fā)現(xiàn)的3萬(wàn)多條小分子通路。SMPDB是專為支持代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)中的通路闡明和通路發(fā)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。毒素和毒素靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)(T3DB)將詳細(xì)的毒素小分子數(shù)據(jù)和全面的毒素靶標(biāo)信息結(jié)合在一起。

三、教學(xué)初步探討

（一）根據(jù)生物信息學(xué)專業(yè)指南進(jìn)行代謝組學(xué)大綱設(shè)計(jì)

代謝組學(xué)的研究流程從樣本采集到數(shù)據(jù)收集，涉及大量的儀器分析方法。根據(jù)生物信息學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)理念，在代謝組學(xué)教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)儀器分析的原理及適用范圍做簡(jiǎn)單介紹，能夠使同學(xué)們了解不同儀器分析在數(shù)據(jù)結(jié)果處理上的注意問(wèn)題。同時(shí)，在大綱設(shè)定過(guò)程中，加大對(duì)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析原理及方法的介紹。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)跟其他組學(xué)數(shù)據(jù)分析相比，代謝數(shù)據(jù)在前期數(shù)據(jù)預(yù)處理階段需要特別注意，不同的預(yù)處理方法會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展代謝組學(xué)文獻(xiàn)調(diào)研及閱讀工作。作為生物信息的前沿學(xué)科，讓同學(xué)們?cè)谡n程學(xué)習(xí)后具有自我學(xué)習(xí)的能力更有價(jià)值。

（二）將化學(xué)信息學(xué)方法引入到代謝組學(xué)教學(xué)中

代謝組學(xué)的研究對(duì)象是分子量小于1000的內(nèi)源小分子，適當(dāng)引入化學(xué)信息學(xué)的方法將更有利于代謝組學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。與藥物設(shè)計(jì)課程類似，代謝組學(xué)也是研究探討化學(xué)空間和生物學(xué)空間聯(lián)系的一門學(xué)科。通過(guò)內(nèi)源代謝物的分析來(lái)闡述機(jī)體的生理病理狀態(tài)，在化學(xué)信息學(xué)方面學(xué)習(xí)化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)表達(dá)和數(shù)學(xué)描述，掌握化學(xué)信息的處理方法及分子相似性的計(jì)算，加深對(duì)代謝組學(xué)小分子數(shù)據(jù)庫(kù)的理解及提高數(shù)據(jù)檢索能力。在此基礎(chǔ)上熟悉小分子和蛋白質(zhì)相互作用預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，了解網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)中的靶標(biāo)預(yù)測(cè)及藥物重定位等研究應(yīng)用[4]。通過(guò)對(duì)化學(xué)空間和生物學(xué)空間的探討，加深對(duì)疾病發(fā)生機(jī)制的理解和指導(dǎo)藥物靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)。在緊密結(jié)合生物信息學(xué)科特點(diǎn)的同時(shí)，本課程也將積極探索具有本學(xué)科特點(diǎn)的教育模式，與德育、智育、體育、美育相融合，培養(yǎng)全面發(fā)展的本科人才。

四、結(jié)束語(yǔ)

代謝組學(xué)是一門涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科，學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立自學(xué)的難度很大。課堂教學(xué)中，我們的教學(xué)應(yīng)該是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。在理論教學(xué)中，要注意系統(tǒng)知識(shí)的傳授和方法原理的講解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中要與理論教學(xué)相吻合，注意方法原理與實(shí)際操作及結(jié)果分析的融合。在大數(shù)據(jù)的背景下，根據(jù)課程特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容選擇最佳的教學(xué)方法是教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)外，加入適合其學(xué)生個(gè)性發(fā)展的“微課”“翻轉(zhuǎn)課堂”等現(xiàn)代教學(xué)模式，不僅引領(lǐng)學(xué)生把控現(xiàn)在，還得面向未來(lái)。在代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析方法掌握的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展文獻(xiàn)檢索及文獻(xiàn)調(diào)研。發(fā)揮同學(xué)們的積極主動(dòng)性，面對(duì)日益更新的組學(xué)技術(shù)及方法，使同學(xué)們具有自我學(xué)習(xí)的能力會(huì)使教學(xué)效果事半功倍。