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【文献学习笔记-附生词及经典语句】代谢组学:超越生物标志物并走向机制(一)

代谢组学专题文章写作研究前沿

  今天主要给大家分享一篇经典的文献综述阅读中的笔记,主要涉及了文献的翻译以及在阅读本文献时整理的一些词汇、经典句子以及一些常见概念的理解,希望对大家有所帮助。本次分享的内容是该文献中相当于引言的部分。之后会继续分享阅读笔记。也欢迎大家在本帖下交流沟通。


文章信息:


Johnson C H, Ivanisevic J, Siuzdak G. Metabolomics: beyond biomarkers and towards mechanisms[J]. Nature reviews Molecular cell biology, 2016, 17(7): 451-459.

名:Nature reviews Molecular cell biology 发表时间:2016.07 IF43.35



知识点:


Metabolites


Metabolites are the substrates and products of metabolism that drive essential cellular functions, such as energy production and storage, signal transduction and apoptosis.


Deconvoluted 解卷积


由于色谱分离能力的限制,我们的样品中分离出的化合物会由于存在相近的极性、结构、保留时间而发生共洗脱现象,这样最终的色谱峰基线、肩峰无法分离,出现重叠现象。尤其是在复杂和极端体系的分析中十分普遍,不利于图库的检索比对,影像最终的定性和定量分析结果

在质谱中,deconvolution指的是多电荷离子变为单电荷离子的计算方法,(即共流出组分的重叠色谱峰解析,亦称多元分辨技术)。这种质谱解卷积技术一般用于蛋白、代谢的分析,原始数据经过化学计量学方法(计算工具),将多电荷峰解卷积,得到单电荷峰(即各个组份的纯质谱),从而可以得到蛋白、代谢化合物的分子量。

解卷积的目的是去除仪器和化学噪声,从而只提供与生物相关的信息


词汇:


Biofluids 体液

biomarker 生物标志物

Informatics 信息学

orthogonal biological approaches正交生物分析法

Underlie 位于或存在于(某物)之下

Substrates n. 基板;基底(substrate的复数);基片

Apoptosis  n. 细胞凋亡;细胞死亡

far-reaching adj. 深远的;广泛的;伸至远处的

acetyl-CoA n. [生化] 乙酰辅酶A

homeostatic controls 稳态控制

counteract 动词:抵消,抵抗,抵制,阻碍

adverse biological consequences不利的生物学后果

Colon 名词:结肠,冒号,移民

Fermentation 发酵

dietary carbohydrates 饮食中的碳水化合物

Mucosal 黏膜的

bicarbonate碳酸氢盐

Notably,...值得注意的是

aberrant glycolytic cancer cells 糖酵解异常癌细胞

there is growing motivation to 有动机、需要做某事

This can be done by 可以通过

methodologies(从事某一活动的)一套方法( methodology的名词复数 )

gives insight into 洞察

the surge in 激增


经典句子:


1. The main methodologies that are used for metabolite recovery and identification are

用于代谢物回收和鉴定的主要方法学是非靶向(全局)和基于质谱的靶向代谢组学,这在专栏1中有更详细的讨论


2. 【插入语、原因状语(v+ing)Tissue analysis, in particular, is perhaps the most powerful approach for studying localized and specific responses to stimuli and pathogenesis, yielding explicit biochemical information about the mechanisms of disease.

特别是组织分析,也许是研究局部和特异性刺激反应以及发病机制的最有力的方法,因为它能产生关于疾病机制的明确生化信息。


3. 【步骤类语句】Simultaneous sampling of arterial blood (entering the organ) and venous blood (draining the organ), followed by paired analysis, can also have value in the investigation of tissue metabolic activity

同时采集动脉血(进入器官)和静脉血(排出器官),然后进行配对分析,在研究组织代谢活动方面也有价值。


4. 【由于...而取得了实质性进展】During the past few years, substantial progress has been made in metabolomic analysis by improving instrument performance, experimental design and sample preparation, ultimately facilitating broader analytical capabilities.

在过去的几年里,由于仪器性能、实验设计和样品制备方面的改进,代谢组分析已经取得了实质性进展,并具有更广泛的分析能力。



文献翻译:


英文摘要

Metabolomics, which is the profiling of metabolites in biofluids, cells and tissues, is routinely applied as a tool for biomarker discovery. Owing to innovative developments in informatics and analytical technologies, and the integration of orthogonal biological approaches, it is now possible to expand metabolomic analyses to understand the systems-level effects of metabolites. Moreover, because of the inherent sensitivity of metabolomics, subtle alterations in biological pathways can be detected to provide insight into the mechanisms that underlie various physiological conditions and aberrant processes, including diseases.


中文摘要

代谢组学是生物体液,细胞和组织中代谢产物的分析的统称,通常作为发现生物标志物的工具。由于信息学和分析技术的创新发展以及正交生物学方法的整合,现在可以进行代谢组学分析以了解代谢物在系统水平上的作用。此外,由于代谢组学的固有的敏感性,代谢组学分析可以检测到生物途径中的细微变化,以洞察各种生理条件和异常过程(包括疾病)的潜在机制。


研究背景

代谢物是指驱动细胞基本功能的代谢底物和代谢产物(例如能量产生和存储,信号转导和细胞凋亡)。除了直接由宿主生物产生外,代谢物还可以来源于微生物,也可以来源于异种生物,饮食和其他外源。

代谢物具有重要的生化作用。首先,代谢物可以调节表观遗传机制并维持胚胎干细胞(ES细胞)的多能性。 众所周知,代谢产物如ATP,乙酰辅酶ANAD +S-腺苷甲硫氨酸(SAM)可以作为共底物,调节影响蛋白质活性的翻译后修饰。此外,脂肪酸和激素可与血浆蛋白相互作用,使其在血液中运输。此外,代谢物与蛋白质的相互作用可以通过启动信号级联来促进细胞反应,从而证明代谢物在信号转导中的作用。

例如,酸性代谢物降低了微环境的pH,由于在饮食中碳水化合物的细菌发酵导致短链脂肪酸的产生,因此在结肠中发现了高浓度的酸性代谢物。然而,这些酸性代谢物会被粘膜产生的碳酸氢盐有效地中和。值得注意的是,这种稳态控制可能会因年龄增长和疾病的产生而失衡,导致功能下降和无法恢复到稳态。此外,异常的糖酵解癌细胞对它们产生的大量乳酸和质子的适应性通过转运蛋白活性、交换器,泵和碳酸酐酶的改变而发生,它们都有助于维持细胞内的pH值,并使细胞能够在酸性微环境中生存。因此,由于代谢物在细胞和生物体中具有广泛的功能,因此人们越来越需要更好地确定其特定功能以及了解其生理作用。通过各种代谢组学方法来识别与特定表型相关的代谢物和代谢途径,然后将这些知识与功能和机制生物学研究相结合来完成。


用于代谢物回收和鉴定的主要方法是基于质谱的非靶向(全局)和靶向代谢组学,这在专栏1中有更详细的讨论。非靶向代谢组学旨在测量提取样品中存在的最广泛的代谢物而无需代谢组的先验知识回收的代谢物类型受提取和分析方法影响而且它们会产生复杂的数据集,这需要计算工具来识别和关联样品之间的代谢物,并检查其在代谢途径中与表型相关的相互关系或异常过程(请参见专栏2和补充信息S1。相比之下,靶向代谢组学比未靶向代谢组学具有更高的灵敏度和选择性,但是需要根据先验信息对代谢物进行分析开发优化了分析特定代谢物和目标代谢途径的方法。靶向分析验证和扩展非靶向分析的结果,是非靶向代谢组学工作流程的重要组成部分


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专栏一

代谢组学中的质谱

质谱

质谱分析是代谢组学分析的绝佳分析平台,因为它具有很高的灵敏度,可重复性和多功能性。中性物质的电荷损失或增益而形成离子,质谱通过测量离子的质荷比(m / z)来测量分子及其片段的质量以确定它们的身份。包含代谢物复杂混合物的样品可以直接引入质谱仪中,也可以采用分离方法(使用液相色谱法或气相色谱法)引入质谱仪。目前直接引入已成功地用于高通量代谢组学。但是,由于代谢组学实验中会存在成千上万的离子,进入质谱仪之前的色谱分离可以最大程度地减少信号抑制并提高灵敏度,再次过程会提供保留时间的标识符,这可以进一步帮助代谢物鉴定。除m / z和保留时间信息外,通过串联质谱分析获得的碎片图谱信息也助于离子的鉴定

非靶向代谢组学

非靶向或全局代谢组学分析对样本中提取的代谢物进行分析,并且可以揭示新的和未预料到的干扰。非靶向分析在高分辨率质谱仪中实施时最为有效,有助于代谢产物的结构表征。它的主要优点是提供了一种无偏见的方法来检查来自多个途径的、相互关联的代谢物之间的关系。然而,现在还不能同时获得所有的代谢物类别,因为许多因素影响代谢物的回收,这取决于代谢物的功能群。此外,在代谢物数据库中还存在大量未注释的代谢物。因此,根据所使用的pH值、溶剂、柱化学和电离技术,非靶向代谢组学可以提供样品中代谢物的详细评估,揭示广泛的代谢物类别。

靶向代谢组学

靶向代谢组学分析需要预先确定一组代谢产物的浓度。制备感兴趣代谢物浓度范围的标准曲线,以便获得准确的定量。这类分析可用于分析由非靶向代谢组学鉴定获得的代谢物的精确浓度,从而提供分析验证

质谱成像代谢组学【Imaging metabolomics

利用质谱成像技术,如基质辅助激光解吸电离 matrix-assisted laser desorption ionization MALDI)、纳米结构成像质谱(nanostructure-imaging mass spectrometryNIMS)、解吸电喷雾电离质谱(desorption electrospray ionization mass spectrometry DESI)、二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry SIMS)等技术也可以揭示组织样品中选定代谢物的定位。NIMSDESI特别适用于小分子的分析


专栏二

代谢组学中的计算工具

代谢组学分析,特别是非靶向代谢组学,会产生复杂的数据集;因此,计算工具的选用对于处理和解释这些结果至关重要。与大数据处理、统计分析、代谢物鉴定和生物学解释相关的问题是很重要的,而现在有一些新的工具可以加速并且自动化计算工作流,为新手和生物信息学家用户提供友好的工具。


数据处理和统计分析

数据上传后,质谱峰被提取,重新校准和注释。利用计算工具对数据进行解卷积(deconvoluted),以去除仪器和化学噪声,从而只提供与生物相关的信息。可用于代谢组学数据的统计分析类型很多,选择正确的分析方法是代谢组学分析中必不可少的一环。在线工具如XCMS Online42DeviumWeb元分析和其他许多工具的出现使研究人员能够进行大量的分析。最近也出现了一些针对错误发现率进行测定以确保数据具有统计能力的工具。对于发现与生物学相关的代谢物特别有用的其他分析方法是多元统计分析,它可以揭示多个实验中共同的代谢变化。


代谢物鉴定和数据库


根据质谱离子的准确质量电荷比(m/z),可以进行初步的代谢物鉴定。可以使用全面的代谢物数据库,如METLINHMDBMassBankGMD。随后,可以对分离的离子进行串联质谱实验,然后与真实的标准进行匹配,获得特征片段和保留时间信息,以区分离子的结构异构体。当特定的m/z或串联质谱碎裂模式不能相匹配时,生物信息学(In silico)工具可进一步深入了解代谢物鉴定。最近离子迁移质谱法的一项创新,即旋转平均交叉碰撞截面(the rotationally averaged crosscollisional sectionCCS),提供了另一个级别的代谢物鉴定,包含CCS信息的数据库目前也处于开发阶段。尽管有这些创新,一些代谢物的特征还是不能判断分子结构。因此,重要的是要公布它们(这些数据库已经在METLIN上建立),以帮助它们将来的鉴定和与表型的相关性。


生物解释

网络模型和通路比对工具可以帮助我们理解代谢物在互作以及生物变异中所起的作用。之后,代谢物可以与上游基因和蛋白质结合起来进行机制研究。KEGG建立了全面的代谢网络资源库Recon1Biocyc,有几个最近开发的程序使用新的方法来寻找通路连接,以及帮助鉴定代谢物。其中包括MummichogMetabo分析,一款基于网络的定量代谢组数据综合分析平台)和代谢集富集分析(MSEA)。此外,稳定同位素代谢组学和omicscale大数据集成可以揭示代谢物之间的相互联系及其与基因和蛋白质的关系。


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用于代谢组学分析的样本类型广泛,包括组织、细胞和生物流体。特别是组织分析,也许是研究局部和特异性刺激反应以及发病机制的最有力的方法,因为它能产生关于疾病机制的明确生化信息传统意义上,组织分析将完整的组织材料制备成成液体形式,中代谢产物的变化在被分析器官的不同细胞类型和区域中被均分。除了这种全组织分析之外,分区域、细胞甚至亚细胞代谢物图谱可以进一步深入了解结构与功能之间的关系;这在诸如大脑和癌症等异质组织的情况下尤其有价值。采集动脉血(进入器官)和静脉血(排出器官),然后进行配对分析,在研究组织代谢活动中也有价值。这种成对动静脉途径提供了有关代谢产物在感兴趣组织中摄取和释放模式的信息,因此可以深入了解组织代谢停滞。与传统的静脉血液分析方法相比,这种配对分析的方法可以测量代谢物动静脉差异或比率,并在取样工作方面提供了令人信服的折衷方案。


在过去的几年里,由于仪器性能、实验设计和样品制备方面的改进,代谢组分析已经取得了实质性进展,并具有更广泛的分析能力此外,新的化学信息(处理化学信息的计算方法)和生物信息(处理生物信息的计算方法)工具的激增为数据采集、分析和集成提供了广泛的支持。这大大增强了识别各种样品中代谢物的能力,并使我们能够将这些代谢物与特定的表型相关联,从而建立了指示特定生理状态或异常的有用生物标记物。目前最大的挑战是超越简单地识别代谢物并将其用作生物标记,开始确定代谢物的直接生理作用及其在代谢网络中的参与作用,以及确定其水平的变化与不同的表型结果相关在本文中,我们描述了代谢物识别和分析、实验设计和通路比对的进展如何帮助我们获得更有意义的数据,进一步揭示了研究的重要节点。我们还讨论了当这些信息与传统的生物学方法相结合时,时怎样让我们能够确定分子机制并开始推断生物因果关系的。


莫笑书生 2019-11-27 17:25:13

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