质谱技术推动代谢组学的发展

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质谱仪以其自动化、便利性、功能强大等特点，成为代谢组学研究中的必备工具，为代谢组学提供快速、精确的服务，并推动代谢组学的快速发展。



文/Catherine Shaffer 密歇根州安阿伯自由作家 译/贾芸



生物系统中的化学反应产生了许多媒介分子，即代谢产物。对这些代谢产物本质的研究，为整个细胞系统功能的研究提供了契机。对这些信息的追踪过程，被称作代谢研究和代谢组学。然而，这些术语也有差别，代谢研究通常出现在药学研究中，而代谢组学属于系统生物学领域，它更多考虑的是环境和生态学效应。

代谢组学面临的问题包括分子量的范围很广，并且浓度变化很大，存在极性与非极性，有机分子和无机分子并存。质谱作为代谢研究优先选择的一种分析方法，很大程度是因为相对于其他技术而言，以上这些差别在质谱中不重要。技术的进步使得质谱仪更有效、更快捷、用途更多。目前有许多质谱和相关的质谱技术，气质联用（GC-MS）与液质联用（LC-MS）是质谱相关技术中最受欢迎的两类技术，其特点是将色谱分离技术与质量分析相组合使用。



植物学代谢研究

美国俄克拉荷马州Samuel Noble Roberts基金会集中研究了豆科Medicago truncatula的胁迫反应——属于整体功能基因组项目。该基金会是Lloyd Noble于1950年成立的一个私人非营利组织，致力于改善农业。基金会重点关注豆类植物，因为豆科植物可将大气中的氮元素固定，为植物提供氮来源，因此具有很高的蛋白质含量，例如大豆、苜蓿、豆和豌豆。然而，豆科植物的研究错综复杂，因为他们是复合多元体基因组，因此用遗传学很难分析。

由美国国家科学基金会资助的应激研究——植物基因组研究计划，收集了经紫外线辐射、甲基茉莉酸（模仿一种创伤）、酵母激发子（模仿一种霉菌感染）作用下的21个时间点上的640份M. truncatula细胞培养样本。在最近举行的美国质谱大会上，参与研究项目的Lloyd Sumner博士报告了计划中与代谢部分有关的发现。Sumner的研究小组采用了多重方法，利用许多不同的技术，包括GC-MS 和LC-MS，从640份样本中创建了3,000种代谢作用的数据资料。

研究人员采用定做的软件，将代谢数据提取出来，放到一个有机矩阵中，进一步做统计分析。群集和相关分析表明，在压力反应中，主要的代谢发生了变化。包括苷氨酸、丝氨酸、苏氨酸生物合成途径的干扰，以前在植物中不知道的苏氨酸醛缩酶得到了鉴定，辅酶A代谢作用发生了改变，Sumner和同事将所有这些描述为“初次代谢中的碳为了进行次级代谢进行的基本的代谢再分配”。Sumner的数据表明，代谢组学是基因验证、基因发现、机械学预测和假设生成中一种有用的、成熟的工具。

M. truncatula项目在设计和技术上有广泛的应用，能用于许多其他的有机物和系统。Sumner说：“我们将这类技术用于植物学中，但是它适用于任何你想进行的研究，包括酵母、微生物、人类、老鼠⋯⋯与你正在观察的代谢产物会有一些差别，但是初级代谢产物被保留在整个系统中。无论它来自植物或是一只小鼠，葡萄糖就是葡萄糖。”研究也会对自然产物产生一些有用的信息。“面对敌人的迫害，植物既不会反抗也不会逃逸，因此，若干年来进化出次级代谢产物——天然产物。这些天然产物对生存来说不是必须的，但是提供了竞争优势，并且与自然防御有关。”

动物研究之无辐射方法

对哺乳动物进行代谢试验要困难得多。追踪动物代谢产物的传统方法采用的是放射性同位素示踪研究，在动物或者人类的饮食中掺入一种同位素像C13，代谢产物中就会有同位素。然而，这种方法对生物体具有危害性，因此应用不是很广泛，尤其是在基因组学新进展中的大规模代谢研究项目中很少使用。

Target Discovery公司的科学家正在开发一种叫做MetaSIRMS的代谢研究方法（SIRMS，稳定同位素率质谱方法）。在MetaSIRMS方法中，动物或者受试人服用掺有稳定同位素像C13的一种代谢产物，同时服用混合有未示踪的代谢产物。初始剂量中的示踪和非示踪的比率在试验开始时是已知的，然后用质谱仪监视示踪和非示踪比率中的液体的减少情况。结果，代谢研究试验的准确度和重复性显著得到了改善。

Target Discovery公司首席科学官Luke Schneider博士是MetaSIRMS、系统生物学和基于假设科学的积极倡导者。他说：“公司的出发点是蛋白组学和代谢组学。当前全球成熟的技术既不是针对蛋白组学，也不是针对代谢组学，无法解决这两类研究中遇到的问题。第一，因为复杂性问题。如此多的代谢产物，要调查了解他们的变化模式成本很高，无人能承担得起，因此，我们开发了假设驱动的方法。第二个问题是结果的重复性。MetaSIRMS避免了放射性同位素的使用，减少了药物的吸收、分布、代谢与排泄（ADME）的研究成本。”

Target Discovery 公司已经开始与PrecisionMed公司进行合作，研究孤独症儿童中的小麦和乳蛋白质代谢关系。研究人员将采用MetaSIRMS方法研究孤独症症状与饮食中小麦、牛奶之间的关系，到目前为止，还是纯粹的无对照体系。研究人员让孤独症儿童食用未加标记的食品和用一种安全、稳定同位素标记的食品混合膳食。质谱分析最终应该揭示“孤独症儿童对这些蛋白质的消化或吸收是否存在异常现象”的真实情况。



产品多种多样

在代谢组学中所用的最终精确度和检测极限是傅里叶变换离子回旋加速器离子（FT-ICR）质谱仪，这种仪器售价大约是100万美元。为了证明FT-ICR在代谢组学中的应用，Bruker Daltonics公司和北卡罗来纳大学（UNC） 科学家进行了合作，采用12特斯拉FT-ICR去分析人类血液样本中的代谢产物。12特斯拉是FT-ICR产品中磁体最强的产品。预试验证明，它可以分离上百种代谢产物，分辨率好于0.5 ppm（内校准标准）。

Bruker公司的FT光谱仪包括一种正常的电离源，例如电喷射，Q界面之后是FT-MS分析器。当离子进入磁场时，就会检出其存在。离子迁入一个中心周围的轨道，移动的频率（每单位时间转动率）是离子团的特征。这为飞行时间（TOF）仪器提供了很大的便利。相对于TOF检测器的短径长来说，当他们旋转时，离子没有被破坏，因此，也可以对更长的径长进行测量，改善了精确度和精密度。随着领域强度的增加，性能也增加。

高质量的精确度，让研究人员可以用仪器去计算每个分子的元素组成。仪器的高分辨率特性，研究人员通过直接滴注或者添加其他的分离步骤，例如液相或者气相色谱，就可以探测上百种代谢产物。此外，每个样品的试验时间很短，不到1分钟，与高效筛选仪器很匹配。

北卡罗来纳大学查佩尔希尔分校的Christoff Borschers博士对FT-MS 用于代谢组学研究很感兴趣，他说：“目前，相关的报道还很少，只有1~2个地方的研究人员用FT-ICR进行代谢组学的研究⋯⋯我们去年才开始这方面的工作，但是我觉得这方面的研究很有意义，我们会继续关注这类研究。” 最近，Borschers从NIH获得100万美元资金用于购买蛋白组学和代谢组学研究用的仪器。

R MS将成为代谢组学研究中的一种主要分析方法，尤其是当设备的价格回落之后。对于高通量实验室而言，使用FT设备的成本应该比单独分析每个样本的成本要低。同时，由于不同需求和实验设计，将会在很长一段时期内使用其他的质谱分析方法。作为一种潜力巨大的分析工具，质谱可以对人类或哺乳动物高度复杂的新陈代谢研究提供便利。据估计，这类代谢产物大约包括3,000种化合物。





链接：选择正确的质谱

MetaSIRMS方法被应用于许多研究中，可以与不同类型的质谱一起使用。对于一个过程动力学的研究，例如胆固醇代谢作用，采用一个简单的、低成本的设备就可以了。Target Discovery公司选择了ABI公司的Mariner电喷射质谱仪。对于更精确的工作，例如鉴定一种药品，就需要一种更高级的设备。TOF质谱因为高精确度，是许多这类研究的首选。