大咖面對面丨代謝組學(xué)前景廣闊 質(zhì)譜構(gòu)建核心平臺
臨床質(zhì)譜近年來發(fā)展迅猛，許多診斷標(biāo)志物都是小分子代謝物，表明代謝組學(xué)從研究到臨床轉(zhuǎn)化的路徑更快；與此同時，代謝組學(xué)近年來在生命醫(yī)學(xué)、植物學(xué)、暴露組學(xué)等研究中發(fā)揮了越來越重要的作用，幾乎每一項多組學(xué)研究的卓越成果都離不開代謝組學(xué)。在成為熱點的同時，代謝組學(xué)研究目前還存在數(shù)據(jù)庫不夠豐富、代謝流方法不夠完善、難以動態(tài)追蹤代謝過程等難點。我們就此些難點，邀請了清華大學(xué)代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺主管劉曉蕙博士，給大家分享課題組建立的代謝流、代謝組學(xué)的獨特方法，對質(zhì)譜儀器如何促進(jìn)平臺建設(shè)亦分享了她的經(jīng)驗，希望對廣大網(wǎng)友有幫助。
清華大學(xué)代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺主管 劉曉蕙博士 （采訪視頻）
代謝流研究：追本溯源 探索機(jī)理
傳統(tǒng)上，通過代謝組學(xué)觀察到的信息是代謝產(chǎn)物的靜態(tài)含量，無法追蹤其來源。比如觀察到脂肪酸含量增加，其原因既可能是脂肪酸合成增加，也可能是其降解減慢，而研究者真正想去探究的是其過程，代謝流的研究可以很好地解決這一問題。
總體來說，代謝流分析一般針對特定的代謝通路去研究動態(tài)變化，信息量比較受限；而生物體本身是一個非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，有些信息是無法提前預(yù)估判斷的，靶向方法因此受限。基于該難點，劉曉蕙團(tuán)隊發(fā)揮Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀的特性，建立了一種代謝流的非靶向分析方法，從而大幅提升了分子覆蓋度。同時嘗試將Orbitrap上建立的非靶向方法轉(zhuǎn)移到TSQ三重四極桿質(zhì)譜系統(tǒng)，利用TSQ的高靈敏度特性覆蓋低豐度的代謝產(chǎn)物。
用TSQ三重四極桿覆蓋低豐度產(chǎn)物，補(bǔ)充非靶向結(jié)果
該方法不僅實現(xiàn)了廣譜的代謝產(chǎn)物分子覆蓋度，而且兼顧了靈敏度，可覆蓋近300個低豐度代謝產(chǎn)物，如實現(xiàn)NADPH這種低豐度代謝物的分析。
賽默飛Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀和TSQ三重四極桿質(zhì)譜系統(tǒng)
質(zhì)譜核心平臺 助力科學(xué)發(fā)現(xiàn)
“質(zhì)譜是代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺的核心技術(shù)，平臺的工作就是結(jié)合不同的色譜和質(zhì)譜技術(shù)，完成代謝與脂質(zhì)組學(xué)中各種小分子的定性定量分析。平臺自建立后，參與發(fā)表或支撐的文章達(dá)200余篇，由Orbitrap和TSQ作為主力質(zhì)譜為平臺發(fā)展提供了最有力的技術(shù)支撐，Orbitrap的高質(zhì)量分辨率、高質(zhì)量精確度為鑒定提供了很大幫助。”
清華大學(xué)代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺
2022年，清華大學(xué)與多單位合作在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表兩篇研究論文[1,2]，發(fā)現(xiàn)了植物中廣泛存在的兩類新型植物免疫信號分子pRib-ADP/AMP和ADPr-ATP/ADPR，可作為通用的天然免疫分子來抵御多種植物病害，劉曉蕙團(tuán)隊對上述兩類小分子的鑒定作出了重要貢獻(xiàn)。劉曉蕙團(tuán)隊與清華大學(xué)生命學(xué)院王一國實驗室合作，利用Orbitrap質(zhì)譜的高分辨特性，開發(fā)了基于穩(wěn)定同位素的高胰島素-正葡萄糖鉗夾實驗新方法，其成果發(fā)表于Cell Discovery上 [3]。
與賽默飛合作 探索無限可能
代謝組學(xué)平臺已成功運行10年，劉曉蕙亦分享了平臺運行的經(jīng)驗心得。首先，需要重視人員的建設(shè)和發(fā)展。對于前沿的代謝組學(xué)分析平臺，尚難以形成規(guī)范化的SOP流程，更需要個性化的方法開發(fā)，因此對于人員的依賴性較大，對于技術(shù)人員的要求較高。
其次，平臺的成功運行離不開儀器廠商的技術(shù)支持，平臺的主要儀器包括高分辨的Orbitrap IQ-X，Orbitrap QE，Exactive GC Orbitrap，transmit-Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng), TSQ Altis plus 三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀等。
展望平臺的未來時劉曉蕙表示：“當(dāng)前的代謝組學(xué)方法尚不夠完善，希望在現(xiàn)有代謝數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫；此外將發(fā)展深度學(xué)習(xí)算法來輔助建立一些未知代謝產(chǎn)物的數(shù)據(jù)庫，拓展組學(xué)研究深度。平臺還將開展質(zhì)譜成像、單細(xì)胞組學(xué)的前沿應(yīng)用。單細(xì)胞的代謝組研究前景廣闊，希望平臺可以盡早開發(fā)出一套成熟的單細(xì)胞代謝組解決方案?！?/p>
最后，劉曉蕙表達(dá)了對雙方合作的期待：“未來，我們與賽默飛將有更大的合作空間，期望在不久的將來，雙方能夠攜手并進(jìn)，共同推進(jìn)科學(xué)前沿領(lǐng)域的探索、推進(jìn)中國科研的發(fā)展”。
劉曉蕙博士與賽默飛Orbitrap質(zhì)譜儀
參考文獻(xiàn)：
1. Identification and receptor mechanism of TIR-catalyzed small molecules in plant immunity. Science. 2022 Jul 29;377(6605):eabq3297. doi: 10.1126/science.abq3297.
2. TIR-catalyzed ADP-ribosylation reactions produce signaling molecules for plant immunity. Science. 2022 Jul 29;377(6605):eabq8180. doi: 10.1126/science.abq8180.
3. Evaluation of insulin sensitivity by hyperinsulinemic-euglycemic clamps using stable isotope-labeled glucose. Yuanyuan Zhang, Lina Xu, Xiaohui Liu & Yiguo Wang, Cell Discovery volume 4, Article number: 17 (2018)
人物簡介
從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)后，劉曉蕙赴美獲得印第安納大學(xué)博士學(xué)位，期間主要從事基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)方法開發(fā)研究，后在哈佛醫(yī)學(xué)院/布萊根醫(yī)院博士后期間，主要從事質(zhì)譜影像在臨床中的應(yīng)用工作。2013年，清華大學(xué)建立代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺，劉曉蕙回國并深入?yún)⑴c了平臺的建設(shè)過程。
