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代谢组学与同位素示踪技术应用
发布时间:2020-12-29     作者:wyf   分享到:

代谢组学与同位素示踪技术应用

数据分析

由于各种代谢物同位素的混合及天然同位素的存在,样本中同位素丰度会有所升高。因此,在分析同位素数据之前,校正天然同位素丰度的影响是非常重要的环节。比如天然13C丰度可达1.1%18O丰度为0.2%。考虑到可用同位素及质谱的检测能力,好采用所有相关天然同位素进行校正。目前相关软件可以进行相关校正计算。部分标记可以为完全标记提供相应的补充信息。同位素标记实验数据可视化可以采用多分类累积柱状图(stacked bar),不同的颜色代表不同同位素标记形式。

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代谢组学与同位素示踪技术应用

稳定同位素示踪技术对生命科学的重大贡献之一是阐明生物体内的物质处于不断的动态平衡之中,通过向生物体内引入适当的同位素标记物,在不同时间测定物质中同位素含量的变化,就能够了解到该物质在体内的变动情况,通过定量计算体内物质的代谢率,获取物质的更新速度和更新时间等信息。因此,采用同位素示踪技术可针对特定的通路探索代谢物来源和流向并揭示其活性从而促进对疾病机制的认识。现已越来越多的被应用于各类疾病研究中,它们基本可以实现以下层次水平的研究。

 

非靶向代谢流分析:通过寻找到代谢网络中发生代谢变化pathway的关键代谢物的13C Flux ratio变化,揭示其相应途径的酶活性变化情况。

代谢途径追踪分析:代谢组学的研究结果无法回答代谢物的升高是因为更快的生成还是更慢的消耗,而这往往是问题的关键。稳定同位素标记的代谢流分析将更好的阐述代谢物浓度的变化在特定代谢通路中是如何实现的。通过分析下游标记代谢物的动态变化可以揭示代谢通路中各支路的流量变化。另一个选择是在同位素标记稳态时进行分析,这样可以避免对不同时间点进行检测分析。此时,部分标记的示踪剂比全标的更有效。例如,[1,2 -13C]葡萄糖经过磷酸戊糖途径(PPP)会生成M+1乳酸,而经过糖酵解途径会生成M+2乳酸,两者的比例反应了葡萄糖流向PPP和糖酵解通路的比例。

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体内同位素示踪:体内同位素示踪研究要比细胞或者微生物实验更复杂,其不仅是分析标记代谢物的变化,还要考虑同位素标记代谢物的药代动力学信息,即外周血中示踪剂和代谢物的水平。对于这种复杂的情况,可以先进行简单的计算,如同位素转入速率。另一种有价值的分析是检测外周血中营养物质进入到组织中的比例。比如谷氨酰胺对TCA循环贡献了多少?通过注射标记的谷氨酰胺,检测达到稳态时外周血中标记的谷氨酰胺和组织中标记TCA中间产物的比例,可以估算谷氨酰胺进入TCA的循环量。研究人员通过这种方法发现尽管在体外培养癌细胞时谷氨酰胺是TCA循环主要的贡献者,但在机体内却只贡献很少一部分。当注入的营养物质通过代谢转换为其他物质,间接的为组织提供能量,如果要测量不同物质的贡献量,则需要对循环中所有物质(如glucose, lactate,glutamine)进行标记。例如,通过这种方法,研究人员发现标记的葡萄糖主要是通过外周循环的乳酸进入TCA:某些细胞将葡萄糖分解为乳酸,然后进入血液循环中,再作为主要的TCA底物为大部分组织甚至肿瘤提供能量。

稳定同位素示踪技术已越来越多的被应用于各类疾病研究中,但同位素示踪研究工作强度大、实验花费高,如何投入低的人力和物力而大限度地获得验证通量信息是关键。因此,同位素示踪研究中要时刻注意以下几个问题:

1)稳定同位素的合理选择;

2)样本的处理方法和收集;

3)天然同位素丰度校正。

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