Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общая схема, показывающая взаимоотношения генома , транскриптома , протеома и метаболома ( липидома ).

Метабол относится к полному набору малых молекул химических веществ , обнаруженных в биологическом образце. [1] Биологический образец может быть клеткой , клеточной органеллой , органом , тканью , тканевым экстрактом, биожидкостью или целым организмом . В небольших молекулах химических веществ , обнаруженных в данном Метаболоме может включать в себя как эндогенные метаболиты , которые , естественно , продуцируемые организм (например, аминокислоты , органические кислоты , нуклеиновые кислоты , жирные кислоты, амины , сахара , витамины , кофакторы , пигменты , антибиотики и т. д.), а также экзогенные химические вещества (такие как лекарства, загрязнители окружающей среды , пищевые добавки , токсины и другие ксенобиотики ), которые не производятся организмом естественным образом. [2] [3]

Другими словами, существует как эндогенный метаболом, так и экзогенный метаболом. Эндогенный метаболом может быть дополнительно подразделен на «первичный» и «вторичный» метаболомы (особенно когда речь идет о метаболомах растений или микробов). Первичный метаболит непосредственно участвуют в нормальном росте, развитии и размножении. Вторичный метаболит не принимает непосредственное участие в этих процессах, но , как правило , имеет важную экологическую функцию. Вторичные метаболиты могут включать пигменты , антибиотики или продукты жизнедеятельности, полученные из частично метаболизированных ксенобиотиков . Изучение метаболома называется метаболомикой .


Истоки [ править ]

Слово метаболом представляет собой смесь слов « метаболит » и « хромосома ». Он был создан, чтобы подразумевать, что метаболиты косвенно кодируются генами или действуют на гены и генные продукты. Термин «метаболом» был впервые использован в 1998 году [1] [4] и, вероятно, был придуман для соответствия существующим биологическим терминам, относящимся к полному набору генов ( геном ), полному набору белков ( протеом ) и полному набору генов. набор транскриптов ( транскриптом ). Первая книга по метаболомике была опубликована в 2003 г. [5] Первый журнал, посвященный метаболомике (называвшийся просто «Метаболомика»), был выпущен в 2005 году и в настоящее время редактируется профессором Роем ​​Гудакром . Некоторые из наиболее важных ранних работ по анализу метаболома перечислены в приведенных ниже ссылках. [6] [7] [8] [9]

Измерение метаболома [ править ]

Метаболом отражает взаимодействие между геномом организма и окружающей его средой. В результате метаболом организма может служить отличным датчиком его фенотипа (т. Е. Продукта его генотипа и окружающей его среды). Метаболиты могут быть измерены (идентифицированы, количественно определены или классифицированы) с использованием ряда различных технологий, включая ЯМР-спектроскопию и масс-спектрометрию . Большинство методов масс-спектрометрии (МС) необходимо сочетать с различными формами жидкостной хроматографии (ЖХ), газовой хроматографии (ГХ) или капиллярного электрофореза.(CE) для облегчения разделения соединений. Каждый метод обычно позволяет идентифицировать или охарактеризовать 50-5000 различных метаболитов или «характеристик» метаболитов одновременно, в зависимости от используемого инструмента или протокола. См. Рисунок 2 для иллюстрации взаимосвязи между различными аналитическими методами и их чувствительностью. В настоящее время невозможно проанализировать весь спектр метаболитов одним аналитическим методом.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - это метод аналитической химии, который измеряет поглощение радиочастотного излучения определенных ядер, когда молекулы, содержащие эти ядра, помещаются в сильные магнитные поля . Частота (т.е. химический сдвиг ), с которой данный атом или ядро ​​поглощает, сильно зависит от химического окружения (связывания, химической структуры ближайших соседей, растворителя) этого атома в данной молекуле. Картины поглощения ЯМР дают «резонансные» пики на разных частотах или с разными химическими сдвигами - этот набор пиков называется спектром ЯМР.. Поскольку каждое химическое соединение имеет различную химическую структуру, каждое соединение будет иметь уникальный (или почти уникальный) спектр ЯМР . В результате ЯМР особенно полезен для характеристики, идентификации и количественного определения небольших молекул, таких как метаболиты. Широкое использование ЯМР для «классических» исследований метаболизма, наряду с его исключительной способностью работать со сложными смесями метаболитов, вероятно, является причиной того, что ЯМР был одной из первых технологий, широко применяемых для рутинных измерений метаболома. В качестве аналитического метода ЯМР является неразрушающим, непредвзятым, легко поддающимся количественной оценке, требует небольшого разделения или не требует его вообще, позволяет идентифицировать новые соединения и не требует химической дериватизации.ЯМР особенно подходит для обнаружения соединений, которые менее поддаются воздействиюЖХ-МС анализ, например, анализ сахаров, аминов или летучих жидкостей, или анализ ГХ-МС , таких как большие молекулы (> 500 Да) или относительно инертные соединения. ЯМР - не очень чувствительный метод с нижним пределом обнаружения около 5 мкМ. Обычно с помощью метаболомных исследований на основе ЯМР можно идентифицировать от 50 до 150 соединений.

Масс-спектрометрия - это аналитический метод, который измеряет отношение массы к заряду молекул. Молекулы или молекулярные фрагменты обычно заряжаются или ионизируются путем распыления их через заряженное поле ( ионизация электрораспылением ), бомбардировки их электронами из горячей нити ( электронная ионизация ) или воздействия на них лазером, когда они помещаются на пластины со специальным покрытием (с помощью матрицы лазерная десорбционная ионизация). Затем заряженные молекулы перемещаются через пространство с помощью электродов или магнитов, и их скорость, скорость кривизны или другие физические характеристики измеряются для определения их отношения массы к заряду.. По этим данным можно определить массу исходной молекулы. Дальнейшая фрагментация молекулы посредством контролируемых столкновений с молекулами газа или электронами может помочь определить структуру молекул. Для определения элементных формул или элементного состава соединений можно также использовать очень точные измерения массы. Большинство форм масс-спектрометрии требуют разделения с использованием жидкостной или газовой хроматографии . Эта стадия разделения требуется для упрощения получаемых масс-спектров и для более точной идентификации соединений. Некоторые методы масс-спектрометрии также требуют, чтобы молекулы были дериватизированы или химически модифицированы, чтобы они были более пригодны для хроматографии.разделение (это особенно верно для ГХ-МС ). В качестве аналитического метода МС - очень чувствительный метод, для которого требуется очень мало образца (<1 нг материала или <10 мкл биожидкости) и который может генерировать сигналы для тысяч метаболитов из одного образца. Инструменты МС также можно настроить для проведения анализов метаболома с очень высокой пропускной способностью (от сотен до тысяч образцов в день). Количественная оценка метаболитов и характеристика новых структур соединений сложнее с помощью МС, чем с помощью ЯМР. ЖХ-МС особенно подходит для обнаружения гидрофобных молекул ( липидов , жирных кислот ) и пептидов, в то время как ГХ-МС лучше всего подходит для обнаружения небольших молекул.(<500 Да) и легколетучие соединения ( сложные эфиры , амины , кетоны , алканы , тиолы ).

В отличие от генома или даже протеома , метаболом представляет собой очень динамичный объект, который может резко меняться в течение нескольких секунд или минут. В результате растет интерес к измерению метаболитов за несколько периодов времени или за короткие промежутки времени с использованием модифицированных версий метаболомики на основе ЯМР или МС.

Базы данных метаболома [ править ]

Поскольку метаболом организма в значительной степени определяется его геномом , разные виды будут иметь разные метаболомы. Действительно, тот факт, что метаболом помидора отличается от метаболома яблока, является причиной того, почему эти два фрукта так разные на вкус. Кроме того, разные ткани, разные органы и биожидкости, связанные с этими органами и тканями, также могут иметь совершенно разные метаболомы. Тот факт, что разные организмы и разные ткани / биологические жидкости имеют такие разные метаболомы, привел к разработке ряда баз данных метаболомов, специфичных для организмов и биологических жидкостей. Некоторые из наиболее известных баз данных метаболомов включаютЧеловек Метабол база данных или HMDB, [10] Дрожжи Метабол база данные или YMDB , [11] базы данных кишечной палочки Метабола или ECMDB , [12] арабидопсис Метабол база данные или AraCyc [13] , а также Моча Метабол база данных, [14 ] цереброспинальная жидкость (ЦСЖ) Метабол база данных [15] и базы данных сыворотки Метабола . [16] Последние три базы данных относятся к биожидкости человека. Также существует ряд очень популярных баз данных общих метаболитов, включая KEGG , [17]MetaboLights, [18] базы данных Гольм Метаболом , [19] MetaCyc , [20] LipidMaps [21] и Метлин. [22] Базы данных метаболомов можно отличить от баз данных метаболитов в том, что базы данных метаболитов содержат слегка аннотированные или синоптические данные о метаболитах от нескольких организмов, в то время как базы данных метаболомов содержат подробные и часто упоминаемые химические, метаболические, спектральные данные и данные о концентрации метаболитов для конкретных организмов.

База данных человеческого метаболома [ править ]

Database Human Метаболом представляет собой базу данных в свободном доступе, открытого доступа , содержащий подробные данные о более чем 40000 метаболитов , которые уже были идентифицированы или могут быть найдены в человеческом теле. HMDB содержит три вида информации: 1) химической информации, 2) клинической информации, и 3) биохимическую информацию. Химические данные включают> 40 000 структур метаболитов с подробными описаниями, обширными химическими классификациями, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 10 000 экспериментально измеренных спектров ЯМР , ГХ-МС и ЖХ / МС более чем 1100 различных метаболитов. Клиническая информация включает данные о> 10 000метаболит - концентрации биожидкости , информация о концентрации метаболитов для более чем 600 различных заболеваний человека и данные о путях более 200 различных врожденных нарушений метаболизма. Биохимическая информация включает около 6000 последовательностей белков (и ДНК) и более 5000 биохимических реакций, связанных с этими записями метаболитов. HMDB поддерживает широкий спектр интернет - запросов , включая текстовый поиск, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для метаболомических исследователей, которые пытаются идентифицировать или понимать метаболиты в клинических метаболомных исследованиях. Первая версия HMDBбыл выпущен 1 января 2007 года и был составлен учеными из Университета Альберты и Университета Калгари . На тот момент они сообщили данные о 2500 метаболитах , 1200 лекарствах и 3500 пищевых компонентах. С тех пор эти ученые значительно расширили коллекцию. Последняя версия HMDB (версия 3.5) содержит> 16 000 эндогенных метаболитов,> 1500 лекарств и> 22 000 пищевых компонентов или пищевых метаболитов. [23]

Метаболомы биожидкостей человека [ править ]

Ученые из Университета Альберты , систематически характеризующие удельные биожидкости metabolomes в том числе сыворотки метабола, [16] Метабол мочи, [14] цереброспинальная жидкость (ЦСЖ) Метабол [15] и слюна Метабол. Эти усилия включали экспериментальный метаболомный анализ (включая ЯМР , ГХ-МС , ИСП-МС , ЖХ-МС и ВЭЖХ.анализы), а также обширный литературный поиск. По их данным, метаболом сыворотки человека содержит не менее 4200 различных соединений (включая множество липидов), метаболом мочи человека содержит не менее 3000 различных соединений (включая сотни летучих веществ и метаболитов кишечных микробов), метаболом спинномозговой жидкости человека содержит около 500 различных соединений. соединений, в то время как метаболом слюны человека содержит около 400 различных метаболитов, включая многие бактериальные продукты.

База данных метаболома дрожжей [ править ]

Дрожжи Метаболом База данных является свободно доступным, онлайн базы данных> 2000 малых молекул метаболиты найдены или производства Saccharomyces CEREVISIAE ( пекарские дрожжи ). YMDB содержит два вида информации: 1) химической информации и 2) биохимическую информацию. Химическая информация в YMDB включает 2027 структур метаболитов с подробными описаниями метаболитов, обширной химической классификацией, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 4000 спектров ЯМР , ГХ-МС и ЖХ / МС, полученных от более чем 500 различных метаболитов. Биохимическая информация в YMDBвключает> 1100 последовательностей белков (и ДНК) и> 900 биохимических реакций. YMDB поддерживает широкий спектр запросов , включая поиск текста, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для исследователей метаболомики, которые изучают дрожжи как модельный организм или ищут способы оптимизации производства ферментированных напитков (вина, пива).

Вторичная ионизация электрораспылением - масс-спектрометрия высокого разрешения SESI-HRMS - это неинвазивный аналитический метод, который позволяет нам контролировать метаболическую активность дрожжей. SESI-HRMS обнаружил около 300 метаболитов в процессе дрожжевого брожения, это говорит о том, что большое количество метаболитов глюкозы не упоминается в литературе. [24]

База данных метаболомов Escherichia coli [ править ]

База данных E. Coli Метаболом является свободно доступным, база данных онлайн> 2700 низкомолекулярные метаболиты найдены в или получают путем кишечной палочки (штамм E.coli K12, 1655). ECMDB содержит два вида информации: 1) химической информации и 2) биохимическую информацию. Химическая информация включает более 2700 структур метаболитов с подробными описаниями метаболитов, обширной химической классификацией, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 5000 ЯМР , ГХ-МС и ЖХ-МС.спектры более 600 различных метаболитов. Биохимическая информация включает> 1600 последовательностей белков (и ДНК) и> 3100 биохимических реакций, связанных с этими записями метаболитов. ECMDB поддерживает множество различных типов онлайных - запросов , включая текстовый поиск, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для исследователей метаболомики, которые изучают кишечную палочку как модельный организм.

Вторичная ионизация электрораспылением (SESI-MS) позволяет различать одиннадцать штаммов E. Coli благодаря профилю летучих органических соединений. [25]

См. Также [ править ]

  • Метаболом опухоли
  • Белковый электрофорез
  • Секвенирование белков

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Оливер С.Г., Винсон М.К., Келл ДБ, Баганц Ф. (сентябрь 1998 г.). «Систематический функциональный анализ генома дрожжей». Тенденции в биотехнологии . 16 (9): 373–8. CiteSeerX  10.1.1.33.5221 . DOI : 10.1016 / S0167-7799 (98) 01214-1 . PMID  9744112 .
  2. ↑ Wishart DS (сентябрь 2007 г.). «Текущий прогресс в вычислительной метаболомике» . Брифинги по биоинформатике . 8 (5): 279–93. DOI : 10.1093 / нагрудник / bbm030 . PMID 17626065 . 
  3. ^ Нордстрем A, O'Maille G, Цинь C, Siuzdak G (май 2006). «Нелинейное сопоставление данных для метаболомики на основе UPLC-MS и HPLC-MS: количественный анализ эндогенных и экзогенных метаболитов в сыворотке крови человека» . Аналитическая химия . 78 (10): 3289–95. DOI : 10.1021 / ac060245f . PMC 3705959 . PMID 16689529 .  
  4. ^ Tweeddale H, Нотли-McRobb L, Ferenci T (октябрь 1998). «Влияние медленного роста на метаболизм Escherichia coli, как показывает анализ общего пула метаболитов (« метаболома »)» . Журнал бактериологии . 180 (19): 5109–16. DOI : 10.1128 / JB.180.19.5109-5116.1998 . PMC 107546 . PMID 9748443 .  
  5. ^ Харриган GG, Goodacre R, ред. (2003). Метаболическое профилирование: его роль в открытии биомаркеров и анализе функций генов . Бостон: Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-1-4020-7370-0.
  6. ^ Fiehn О, S Клоска, Альтман Т (февраль 2001 г.). «Комплексные исследования биологии растений с использованием многопараллельных методов». Текущее мнение в области биотехнологии . 12 (1): 82–6. DOI : 10.1016 / S0958-1669 (00) 00165-8 . PMID 11167078 . 
  7. ^ Fiehn О (2001). «Объединение геномики, анализа метаболома и биохимического моделирования для понимания метаболических сетей» . Сравнительная и функциональная геномика . 2 (3): 155–68. DOI : 10.1002 / cfg.82 . PMC 2447208 . PMID 18628911 .  
  8. ^ Weckwerth W (2003). «Метаболомика в системной биологии» . Ежегодный обзор биологии растений . 54 : 669–89. DOI : 10.1146 / annurev.arplant.54.031902.135014 . PMID 14503007 . S2CID 1197884 .  
  9. ^ Goodacre R, S Vaidyanathan, Dunn WB, Harrigan GG, Kell DB (май 2004). «Метаболомика в цифрах: получение и понимание глобальных данных о метаболитах». Тенденции в биотехнологии . 22 (5): 245–52. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2004.03.007 . PMID 15109811 . 
  10. ^ Wishart DS, Tzur D, Knox C, Eisner R, Guo AC, Young N, et al. (Январь 2007 г.). «HMDB: База данных человеческого метаболизма» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (выпуск базы данных): D521-6. DOI : 10.1093 / NAR / gkl923 . PMC 1899095 . PMID 17202168 .  
  11. ^ Джуисон Т., Нокс С., Невеу В., Джумбоу И., Го А.С., Ли Дж. И др. (Январь 2012 г.). "YMDB: База данных метаболома дрожжей" . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (выпуск базы данных): D815-20. DOI : 10.1093 / NAR / gkr916 . PMC 3245085 . PMID 22064855 .  
  12. ↑ Guo AC, Jewison T, Wilson M, Liu Y, Knox C, Djoumbou Y и др. (Января 2013). «ECMDB: База данных метаболома E. coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (Проблема с базой данных): D625-30. DOI : 10.1093 / NAR / gks992 . PMC 3531117 . PMID 23109553 .  
  13. Перейти ↑ Mueller LA, Zhang P, Rhee SY (июнь 2003 г.). «AraCyc: база данных о биохимических путях распространения Arabidopsis» . Физиология растений . 132 (2): 453–60. DOI : 10.1104 / pp.102.017236 . PMC 166988 . PMID 12805578 .  
  14. ^ a b Bouatra S, Aziat F, Mandal R, Guo AC, Wilson MR, Knox C и др. (Сентябрь 2013 г.). «Метаболом мочи человека» . PLOS ONE . 8 (9): e73076. Bibcode : 2013PLoSO ... 873076B . DOI : 10.1371 / journal.pone.0073076 . PMC 3762851 . PMID 24023812 .  
  15. ^ а б Мандал Р., Го А.С., Чаудхари К.К., Лю П, Яллоу Ф.С., Донг Э. и др. (Апрель 2012 г.). «Мультиплатформенная характеристика метаболома спинномозговой жидкости человека: всестороннее и количественное обновление» . Геномная медицина . 4 (4): 38. DOI : 10,1186 / gm337 . PMC 3446266 . PMID 22546835 .  
  16. ^ a b Psychogios N, Hau DD, Peng J, Guo AC, Mandal R, Bouatra S и др. (Февраль 2011 г.). «Метаболом сыворотки человека» . PLOS ONE . 6 (2): e16957. Bibcode : 2011PLoSO ... 616957P . DOI : 10.1371 / journal.pone.0016957 . PMC 3040193 . PMID 21359215 .  
  17. ^ Kanehisa M, Goto S (январь 2000). «KEGG: киотская энциклопедия генов и геномов» . Исследования нуклеиновых кислот . 28 (1): 27–30. DOI : 10.1093 / NAR / 28.1.27 . PMC 102409 . PMID 10592173 .  
  18. ^ Хауг К., Салек Р.М., Конеса П., Гастингс Дж., Де Матос П., Райнбек М. и др. (Января 2013). «MetaboLights - универсальный репозиторий с открытым доступом для исследований метаболомики и связанных метаданных» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (Проблема с базой данных): D781-6. DOI : 10.1093 / NAR / gks1004 . PMC 3531110 . PMID 23109552 .  
  19. ^ Копка Дж., Шауэр Н., Крюгер С., Биркемейер С., Усадель Б., Бергмюллер Е. и др. (Апрель 2005 г.). "[email protected]: База данных метаболома Голма" . Биоинформатика . 21 (8): 1635–8. DOI : 10.1093 / биоинформатики / bti236 . PMID 15613389 . 
  20. ^ Каспи Р., Альтман Т., Дейл Дж. М., Дреер К., Фулчер КА, Гилхэм Ф. и др. (Январь 2010 г.). «База данных метаболических путей и ферментов MetaCyc и коллекция баз данных путей / генома BioCyc» . Исследования нуклеиновых кислот . 38 (Проблема с базой данных): D473-9. DOI : 10.1093 / NAR / gkp875 . PMC 2808959 . PMID 19850718 .  
  21. ^ Fahy E, Sud M, Коттер D, Субраманьям S (июль 2007). «Онлайн-инструменты LIPID MAPS для исследования липидов» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (проблема с веб-сервером): W606-12. DOI : 10.1093 / NAR / gkm324 . PMC 1933166 . PMID 17584797 .  
  22. ^ Smith CA, O'Maille G, Want EJ, Qin C, Trauger SA, Brandon TR и др. (Декабрь 2005 г.). «МЕТЛИН: масс-спектральная база данных метаболитов». Терапевтический мониторинг лекарственных средств . 27 (6): 747–51. DOI : 10.1097 / 01.ftd.0000179845.53213.39 . PMID 16404815 . S2CID 14774455 .  
  23. ^ Wishart DS, Jewison T, Guo AC, Wilson M, Knox C, Liu Y и др. (Января 2013). «HMDB 3.0 - База данных метаболома человека в 2013 году» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (Проблема с базой данных): D801-7. DOI : 10.1093 / NAR / gks1065 . PMC 3531200 . PMID 23161693 .  
  24. ^ Техеро Риосерас A, Гарсия Гомес D, Эберт BE, Бланк LM, Ибаньес AJ, Sinues PM (октябрь 2017 г.). «Комплексный анализ волатиллома дрожжей в реальном времени» . Научные отчеты . 7 (1): 14236. Bibcode : 2017NatSR ... 714236T . DOI : 10.1038 / s41598-017-14554-у . PMC 5660155 . PMID 29079837 .  
  25. ↑ Zhu J, Hill JE (июнь 2013 г.). «Обнаружение Escherichia coli с помощью профилирования ЛОС с использованием вторичной электрораспылительной ионизации-масс-спектрометрии (SESI-MS)» . Пищевая микробиология . 34 (2): 412–7. DOI : 10.1016 / j.fm.2012.12.008 . PMC 4425455 . PMID 23541210 .  

Внешние ссылки [ править ]