Anyagcsere

A metabolomika  „az élő sejtekben végbemenő folyamatokra jellemző egyedi kémiai ujjlenyomatok szisztematikus tanulmányozása” – pontosabban az alacsony molekulatömegű metabolikus profiljuk vizsgálata. [1] A metabolóm az összes olyan metabolit gyűjteménye, amely egy sejtben, szövetben, szervben vagy szervezetben az anyagcsere végterméke [2] . Míg az mRNS - génexpressziós adatok és a proteomikai elemzési adatok nem fednek fel teljesen mindent, ami egy sejtben megtörténhet, az anyagcsere-profilok pillanatképet adhatnak a sejt élettani folyamatairól. A rendszerbiológia és a funkcionális genomika  egyik célja, hogy integrálja a proteomikából , transzkriptomikából és metabolikus információkból származó adatokat, hogy holisztikusabb képet kapjunk az élő szervezetekről.

Eredet

Az az elképzelés, hogy a testnedvek az egyén egészségi állapotát tükrözik, már régóta létezik. A hangyákat az ókori kínai orvosok használták a páciens vizeletében lévő glükóz mennyiségének felmérésére és a cukorbetegség kimutatására. [3] A középkorban "vizelet-táblázatokat" használtak, amelyek a vizelet színét, ízét és szagát különféle egészségügyi jellemzőkkel kötötték össze, amelyek alapvetően metabolikus eredetűek. [négy]

Az egyéni "anyagcsere-profil" koncepcióját, amely tükrözheti a biológiai folyadékok összetételét, Roger Williams javasolta a múlt század 40-es éveinek végén [5] kromatográfiás papír segítségével, és azt javasolta, hogy a vizeletben és a nyálban jellemző metabolikus profilok olyan patológiákkal járnak, mint a skizofrénia. Azonban csak a 60-as és 70-es évek technológiai fejlődése tette lehetővé az anyagcsere-profilok számszerűsítését. [6] A "metabolikus profil" kifejezést 1971-ben Horning alkotta meg, miután bebizonyította, hogy a gázkromatográfiás-tömegspektrometria felhasználható az emberi vizeletben és szövetkivonatokban jelenlévő vegyületek kimutatására. [3] [7] Horning csoportja olyan tudósokkal együtt, mint Linus Pauling és Arthur Robinson , vezető szerepet játszott a vizelet metabolitjainak monitorozására szolgáló gázkromatográfiás tömegspektrometriás módszerek kifejlesztésében az 1970-es években. [nyolc]

Ugyanakkor az 1940-es években felfedezett NMR-spektroszkópia gyors fejlődésnek indult, és az 1980-as évekre elegendő érzékenységet ért el a biológiai minták metabolitjainak azonosításához. [3] [4] Az NMR-spektroszkópiával végzett anyagcsere-vizsgálatokat főként Jeremy Nicholson laboratóriumában végezték a Birkbeck College-ban, a Londoni Egyetemen, majd később a londoni King's College-ban. 1984-ben Nicholson kimutatta, hogy a proton-NMR-spektroszkópia potenciálisan felhasználható a cukorbetegség diagnosztizálására, és később úttörő szerepet játszott a mintázatfelismerés alkalmazásában az NMR-spektroszkópiai adatok elemzésében. [9] [10]

2007. január 23-án az Albertai Egyetem (Kanada) Human Metabolome Programja, David Wishart vezetésével befejezte az emberi metabolom adatbázis első verzióját, amely körülbelül 2500 metabolitról, 1200 gyógyszerről és 3500 élelmiszer-anyagról tartalmaz információt. [11] [12]

Ma a metabolomika még mindig "új" kutatási terület. [13] Az ezen a területen elért további előrelépés számos tényezőtől függ, köztük az analitikai módszerek, elsősorban a tömegspektrometriás módszerek és az NMR-spektroszkópia technikai alapjainak fejlődésétől. [13]

Metaball

A metabolóm kis molekulatömegű metabolitok (például metabolikus köztitermékek, hormonok és egyéb jelátviteli molekulák és másodlagos metabolitok) teljes készlete, amely biológiai mintában és egyetlen szervezetben egyaránt megtalálható. [14] [15] A kifejezést a transzkriptomikával és a proteomikával analógiával alkották meg . A transzkriptomhoz és a proteomhoz hasonlóan a metabolom folyamatosan változik. Bár a metabolom viszonylag könnyen meghatározható, jelenleg nem lehetséges egyetlen analitikai módszerrel meghatározni a metabolitok széles körét. 2007 januárjában az Albertai Egyetem és a Calgary Egyetem tudósai elkészítették az emberi metabolom első változatát. Körülbelül 2500 metabolitot, 1200 gyógyszert és 3500 élelmiszer-összetevőt katalogizáltak, amelyek megtalálhatók az emberi szervezetben. [11] Ez a Human Metabolome Database-ból (www.hmdb.ca) elérhető és a meglévő tudományos irodalom elemzésén alapuló információ még korántsem teljes. [16] Sokkal többet tudunk más élőlények metabolomjairól. Például több mint 50 000 növényi metabolitot jellemeztek, és sok ezret azonosítottak és jellemeztek egyes növényekben. [17] [18]

Metabolitok

A metabolitok az anyagcsere közbenső és végtermékei. A metabolomikában a metabolitokat általában 1 kDa-nál kisebb molekulákként határozzák meg. [19] E meghatározás alól azonban vannak kivételek, az adott mintától és az analitikai módszertől függően. Például az olyan makromolekulák, mint a lipoproteinek és az albumin , megbízhatóan kimutathatók a vérplazma NMR-spektroszkópiával történő elemzésekor. [20] A növényi metabolomikában szokás különbséget tenni „elsődleges” és „másodlagos” metabolitok között. Az elsődleges metabolitok közvetlenül részt vesznek a normál növekedésben, fejlődésben és szaporodásban. A másodlagos metabolitok nem vesznek részt ezekben a folyamatokban, de általában fontos ökológiai funkciókat töltenek be. Például antibiotikumok és pigmentek. [21] A humán metabolomikában a metabolitokat szokás endogén (a vizsgált szervezet által termelt) és exogén metabolitokra osztani. [22] Az idegen anyagok, például a gyógyszerek metabolitjait xenometabolitoknak vagy xenobiotikumoknak nevezik. [23]

A metabolomot metabolikus reakciók nagy hálózata hozza létre. ahol az egyik enzimreakció termékei a többiek kiindulási anyagai. Az ilyen rendszereket hiperciklusoknak nevezik.

Metabonómia

A metabonómiát úgy definiálják, mint "az élő rendszerek dinamikus többváltozós metabolikus válaszának kvantitatív mérése a patofiziológiai ingerekre vagy genetikai módosításokra". A kifejezés a görög meta szóból származik , ami "változást" jelent, és a nomos , azaz "szabályok vagy minták összessége". [24] Ezt a megközelítést először Jeremy Nicholson javasolta és alkalmazta a londoni King's College-ban, és a toxikológiában, a betegségek diagnosztizálásában és számos más területen alkalmazzák. Történelmileg a metabonómiai megközelítés volt az egyik első kísérlet arra, hogy rendszerbiológiai technikákat alkalmazzanak az anyagcsere tanulmányozására. [25] [26] [27]

A metabolomika és a metabonómia közötti különbségek meghatározása ellentmondásos. A két megközelítés közötti különbségek nem korlátozódnak az analitikai módszerek megválasztására, bár a metabonomika túlnyomórészt az NMR-spektroszkópiához, a metabolomikához pedig a tömegspektrometriás technikákhoz kapcsolódik. Az általánosan elfogadott nézőpont hiánya ellenére úgy gondolják, hogy a metabolomika nagyobb figyelmet fordít a sejt- és szervi szintű metabolikus profilokra, és túlnyomórészt a normál endogén anyagcserével függ össze. A Metabonomics ezzel szemben anyagcsereprofilokat használ, hogy információkat szerezzen a külső környezeti tényezőkkel, kóros folyamatokkal és nem genetikai változásokkal kapcsolatos anyagcsere-változásokról. Ez nem triviális megkülönböztetés. Az anyagcsere-vizsgálatoknak értelemszerűen ki kell zárniuk a nem genetikai tényezők miatti anyagcsere-változásokat, mivel ezek a vizsgált rendszeren kívüliek. A gyakorlatban azonban, különösen az emberi betegségek tanulmányozása során, a definíciók zavarosak, és gyakran szinonimáknak tekintik őket. [28]

Analitikai módszerek

Elválasztási módszerek

• A gázkromatográfia , különösen a tömegspektrometriás detektálással ( gázkromatográfia-tömegspektrometria ), az egyik legerősebb és legszélesebb körben alkalmazott módszer. Nagyon nagy kromatográfiás felbontást ad, de számos biomolekula meghatározásához kémiai származékképzés szükséges, amely nélkül csak az illékony vegyületeket lehet elemezni. Egyes makromolekulák és poláris metabolitok nem elemezhetők gázkromatográfiával. [29]
• Nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC). A gázkromatográfiához képest a HPLC alacsonyabb kromatográfiás felbontású, de ezt ellensúlyozza a potenciálisan mérhető vegyületek szélesebb köre. [harminc]
• kapilláris elektroforézis . A kapilláris elektroforézis elméleti elválasztási hatékonysága magasabb, mint a HPLC, és a gázkromatográfiánál szélesebb körű vegyületek vizsgálatára használható. Mint minden elektroforetikus módszer, ez is a legkényelmesebb az ionok szétválasztására. [31]

Észlelési módszerek

• Tömegspektrometria A tömegspektrometriát a metabolitok azonosítására és mennyiségi meghatározására használják gázkromatográfiával , HPLC -vel vagy kapilláris elektroforézissel történő elválasztás után . A gáz-kromato-tömeg-spektrometria a legtermészetesebb ilyen kombinációk, és először fejlesztették ki. Emellett a meglévő és kifejlesztett tömegspektrometriai adatok könyvtárai lehetővé teszik a metabolitok azonosítását az ionizáció során bekövetkező fragmentációjuk alapján.
• Mágneses magrezonancia (NMR spektroszkópia). Az NMR az egyetlen olyan módszer, amely nem igényli a vizsgált metabolitok keverékének szétválasztását, és lehetővé teszi a vizsgált minták további elemzésre történő felhasználását. Minden típusú kis molekulatömegű metabolit egyidejűleg meghatározható. Az NMR fő előnyei a nagy mérési reprodukálhatóság és a minta-előkészítés egyszerűsége. Bár természetesen az NMR érzékenysége lényegesen kisebb, mint a tömegspektrometriás módszerek. [32] [33]
• Az NMR-spektroszkópia és tömegspektroszkópiai módszerek mellett másokat is alkalmaznak, mint például a HPLC elektrokémiai detektálással és az izotópos jelölésekkel ellátott keverékek vékonyréteg-kromatográfiája.

Statisztikai módszerek

A metabolikus adatok általában a tárgyak különböző körülmények között végzett méréseinek eredményei. Ezek lehetnek digitális spektrumok vagy metabolitok listái és koncentrációik. A legegyszerűbb esetben ezeket az adatokat mátrix formájában jelenítjük meg, amelyben a sorok a mintáknak, az oszlopok pedig a metabolitkoncentrációknak felelnek meg. Különféle statisztikai módszereket használnak az ilyen adatok elemzésére, általában projekciós módszereket, például főkomponens-regressziót és látens változó vetületi regressziót. [34]

Fő alkalmazások

• Toxikológia . A metabolikus profilok (különösen a vizelet és a vérplazma) segítségével meghatározhatóak a mérgező kémiai vegyületek lenyelése által okozott élettani változások. A megfigyelt változások sok esetben összefüggésbe hozhatók bizonyos szindrómákkal, például a máj és a zsírszövet specifikus elváltozásaival. [28]
• Funkcionális genomika . A metabolomika kiváló eszköz lehet a genetikai változásokból, például a gének deléciójából és inszerciójából származó fenotípus meghatározására. Ez lehet genetikailag módosított állatok és növények fenotípusos változásainak meghatározása, nem vizsgált gének működésének előrejelzése a metabolikus változások és az ismertek beillesztése és eltávolítása során bekövetkező változások összehasonlításával.

Jegyzetek

1. ↑ Davis; Bennett. Növekedési fájdalmak a metabolomikáért  (neopr.)  // The Scientist. - 2005. - április ( 19. évf. , 8. szám ). - S. 25-28 .
2. ↑ Jordan KW, Nordenstam J., Lauwers GY, Rothenberger DA, Alavi K., Garwood M., Cheng LL Humán végbél adenokarcinóma metabolikus jellemzése ép szövet mágneses rezonancia spektroszkópiával  // A vastagbél és végbél  betegségei : folyóirat. - 2009. - március ( 52. évf. , 3. sz.). - P. 520-525 . - doi : 10.1007/DCR.0b013e31819c9a2c . — PMID 19333056 .
3. ↑ 1 2 3 Van der greef és Smilde, J Chemomet, (2005) 19:376-386
4. ↑ 1 2 Nicholson JK, Lindon JC Systems biology: Metabonomics   // Nature . - 2008. - október ( 455. köt. , 7216. sz.). - P. 1054-1056 . - doi : 10.1038/4551054a . — PMID 18948945 .
5. ↑ Gates és Sweeley, Clin Chem (1978) 24(10):1663-73
6. ↑ Preti, George. Felnőtt az anyagcsere? The Scientist , 19[11]:8, 2005. június 6.
7. ↑ Novotny és munkatársai J Chromatog B (2008) 866:26-47
8. ↑ Griffiths, WJ és Wang, Y. (2009) Chem Soc Rev 38:1882-96
9. ↑ Holmes E és Antti H (2002) Analyst 127:1549-57
10. ↑ Lenz EM és Wilson ID (2007) J Proteome Res 6(2):443-58
11. ↑ 1 2 Wishart DS, Tzur D., Knox C. et al. HMDB: az emberi metabolom adatbázis  //  Nucleic Acids Research : folyóirat. - 2007. - január ( 35. évf. , no. Adatbáziskiadás ). - P. D521-6 . doi : 10.1093 / nar/gkl923 . — PMID 17202168 .
12. ↑ Wishart DS, Knox C., Guo AC, Eisner R., Young N., Gautam B., Hau DD, Psychogios N., Dong E., Bouatra S., Mandal R., Sinelnikov I., Xia J., Jia L., Cruz JA, Lim E., Sobsey CA, Shrivastava S., Huang P., Liu P., Fang L., Peng J., Fradette R., Cheng D., Tzur D., Clements M., Lewis A., De Souza A., Zuniga A., Dawe M., Xiong Y., Clive D., Greiner R., Nazyrova A., Shaykhutdinov R., Li L., Vogel HJ, Forsythe I. HMDB: a tudásbázis az emberi metabolomhoz   // Nucleic Acids Research : folyóirat. - 2009. - 1. évf. 37 , sz. Adatbázis probléma . — P.D603 . - doi : 10.1093/nar/gkn810 . — PMID 18953024 .
13. ↑ 1 2 Morrow Jr., Ph.D., K. John . Mass Spec Central to Metabolomics  (2010. április 1.), 1. o.. Archiválva az eredetiből 2010. június 28-án. Letöltve: 2010. június 28. {{subst:Service Sections}}.
14. ↑ Oliver SG, Winson MK, Kell DB, Baganz F. Az élesztő genomjának szisztematikus funkcionális elemzése  //  Trends in Biotechnology : folyóirat. - Cell Press , 1998. - szeptember ( 16. kötet , 9. szám ). - 373-378 . o . - doi : 10.1016/S0167-7799(98)01214-1 . — PMID 9744112 .
15. ↑ Griffin JL, Vidal-Puig A. Aktuális kihívások a metabolomikában a diabéteszkutatásban: létfontosságú funkcionális genomikai eszköz vagy csak trükk a finanszírozás megszerzéséhez? (angol)  // Physiol. Genomika: folyóirat. - 2008. - június ( 34. évf. , 1. sz.). - P. 1-5 . - doi : 10.1152/physiolgenomics.00009.2008 . — PMID 18413782 .
16. ↑ Pearson H. Ismerje meg az emberi metabolomot   // Természet . - 2007. - március ( 446. évf. , 7131. sz.). — 8. o . - doi : 10.1038/446008a . — PMID 17330009 .
17. ↑ De Luca V., St Pierre B. Az alkaloid bioszintézis sejt- és fejlődésbiológiája  // Trends Plant Sci  . : folyóirat. - 2000. - április ( 5. évf. , 4. sz.). - 168-173 . o . - doi : 10.1016/S1360-1385(00)01575-2 . — PMID 10740298 .
18. ↑ Griffin JL, Shockcor JP A rákos sejtek metabolikus profiljai   // Nat . Fordulat. Rák  : napló. - 2004. - július ( 4. köt. , 7. sz.). - P. 551-561 . doi : 10.1038 / nrc1390 . — PMID 15229480 .
19. ↑ Samuelsson LM, Larsson DG Hozzájárulások a metabolomikától a  halkutatáshoz // Mol  Biosyst : folyóirat. - 2008. - október ( 4. évf. , 10. sz.). - 974-979 . - doi : 10.1039/b804196b . — PMID 19082135 .
20. ↑ Nicholson JK, Foxall PJ, Spraul M., Farrant RD, Lindon JC 750 MHz Humán vérplazma 1H és 1H-13C NMR spektroszkópiája   // Anal . Chem. : folyóirat. - 1995. - március ( 67. évf. , 5. sz.). - P. 793-811 . - doi : 10.1021/ac00101a004 . — PMID 7762816 .
21. ↑ Bentley R. Másodlagos metabolit bioszintézis: az első század   // Crit . Fordulat. Biotechnol. : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 19 , sz. 1 . - P. 1-40 . - doi : 10.1080/0738-859991229189 . — PMID 10230052 .
22. ↑ Nordström A., O'Maille G., Qin C., Siuzdak G. Nonlinear data alignment for UPLC-MS and HPLC-MS based metabolomics: quantitative analysis of endogenous and exogenous metabolites in human serum   // Anal . Chem. : folyóirat. - 2006. - május ( 78. évf. , 10. sz.). - P. 3289-3295 . - doi : 10.1021/ac060245f . — PMID 16689529 .
23. ↑ Crockford DJ, Maher AD, Ahmadi KR és mások. 1H NMR és UPLC-MS(E) statisztikai heterospektroszkópia: gyógyszer-metabolitok (xenometabolom) jellemzése epidemiológiai vizsgálatokban  //  Anal . Chem. : folyóirat. - 2008. - szeptember ( 80. évf. , 18. sz.). - P. 6835-6844 . doi : 10.1021 / ac801075m . — PMID 18700783 .
24. ↑ Nicholson JK Globális rendszerbiológia, személyre szabott medicina és molekuláris epidemiológia  (angol)  // Mol. Syst. Biol. : folyóirat. - 2006. - Vol. 2 . — 52. o . - doi : 10.1038/msb4100095 . — PMID 17016518 .
25. ↑ Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. „Metabonomika”: élő rendszerek patofiziológiai ingerekre adott metabolikus válaszainak megértése biológiai NMR spektroszkópiai  adatok többváltozós statisztikai elemzésén keresztül //  Xenobiotica : folyóirat. - 1999. - november ( 29. évf. , 11. sz.). - P. 1181-1189 . - doi : 10.1080/004982599238047 . — PMID 10598751 .
26. ↑ Nicholson JK, Connelly J., Lindon JC, Holmes E. Metabonomics: a platform for studying drug toxicity and gene function  // Nat Rev Drug Discov  : Journal  . - 2002. - február ( 1. köt. , 2. sz.). - P. 153-161 . doi : 10.1038 / nrd728 . — PMID 12120097 .
27. ↑ Holmes E., Wilson ID, Nicholson JK . Metabolikus fenotipizálás egészségben és betegségekben   // Sejt . - Cell Press , 2008. - szeptember ( 134. kötet , 5. szám ). - P. 714-717 . - doi : 10.1016/j.cell.2008.08.026 . — PMID 18775301 .
28. ↑ 1 2 Robertson DG Metabonomics in toxicology: a review   // Toxicol . sci. : folyóirat. - 2005. - június ( 85. évf. , 2. sz.). - P. 809-822 . doi : 10.1093 / toxsci/kfi102 . — PMID 15689416 .
29. ↑ Schauer N., Steinhauser D., Strelkov S. et al. GC-MS könyvtárak metabolitok gyors azonosításához komplex biológiai mintákban  (angol)  // FEBS Lett. : folyóirat. - 2005. - február ( 579. évf . , 6. sz.). - P. 1332-1337 . - doi : 10.1016/j.febslet.2005.01.029 . — PMID 15733837 .
30. ↑ Gika HG, Theodoridis GA, Wingate JE, Wilson ID Egy HPLC-MS-alapú metabonómiai elemzési módszer napon belüli reprodukálhatósága: alkalmazás humán vizeletre  //  J. Proteome Res. : folyóirat. - 2007. - augusztus ( 6. köt. , 8. sz.). - P. 3291-3303 . - doi : 10.1021/pr070183p . — PMID 17625818 .
31. ↑ Lapainis T., Rubakhin SS, Sweedler JV. Kapilláris elektroforézis elektrospray-ionizációs tömegspektrometriás detektálással egysejtű metabolomikákhoz   // Anal . Chem. : folyóirat. - 2009. - július ( 81. évf. , 14. sz.). - P. 5858-5864 . - doi : 10.1021/ac900936g . — PMID 19518091 .
32. ↑ Griffin JL Metabonomics: NMR spektroszkópia és testnedvek és szövetek mintázatfelismerő elemzése a xenobiotikus toxicitás jellemzésére és a betegségek diagnosztizálására  //  Curr Opin Chem Biol : folyóirat. - 2003. - október ( 7. évf. , 5. sz.). - P. 648-654 . - doi : 10.1016/j.cbpa.2003.08.008 . — PMID 14580571 .
33. ↑ Beckonert O., Keun HC, Ebbels TM, et al. Metabolikus profilalkotás, metabolomikai és metabonómiai eljárások vizelet, plazma, szérum és szövetkivonatok NMR-spektroszkópiájához  (angol)  // Nat Protoc : folyóirat. - 2007. - Vol. 2 , sz. 11 . - P. 2692-2703 . - doi : 10.1038/nprot.2007.376 . — PMID 18007604 .
34. ↑ Trygg J., Holmes E., Lundstedt T. Chemometrics in metabonomics  //  J. Proteome Res. : folyóirat. - 2007. - február ( 6. évf . 2. sz .). - 469-479 . o . - doi : 10.1021/pr060594q . — PMID 17269704 .

Irodalom

• Tomita M., Nishioka T. (2005), Metabolomics: The Frontier of Systems Biology, Springer, ISBN 4-431-25121-9
• Wolfram Weckwerth W. (2006), Metabolomics: Methods and Protocols (Methods in Molecular Biology), Humana Press, ISBN 1-58829-561-3
• Dunn, WB és Ellis, DI (2005), Metabolomics: jelenlegi elemzési platformok és módszertanok. Trends in Analytical Chemistry 24(4), 285-294.
• Ellis, DI és Goodacre, R. (2006) Metabolikus ujjlenyomat a betegségek diagnosztizálásában: az infravörös és Raman spektroszkópia orvosbiológiai alkalmazásai. Analyst 131, 875-885. DOI:10.1039/b602376m

http://dbkgroup.org/dave_files/AnalystMetabolicFingerprinting2006.pdf

• Claudino, WM, Quatronne, A., Pestrim, M., Biganzoli, L., Bertini és Di Leo, A. (2007) Metabolomics: Available Results, Current Research Projects in Breast Cancer, and Future *Applications. J Clin Oncol május 14.; [Epub nyomtatás előtt]. https://web.archive.org/web/20080120072634/http://lab.bcb.iastate.edu/projects/plantmetabolomics/
• Ellis, DI, Dunn, WB, Griffin, JL, Allwood, JW és Goodacre, R. (2007) Metabolic Fingerprinting as a Diagnostic Tool. Pharmacogenomics, 8(9), 1243-1266. http://dbkgroup.org/dave_files/Pharmacogenomics.pdf
• Gomase VS, Changbhale SS, Patil SA, Kale KV  Metabolomics // Current  Drug Metabolism : folyóirat. - 2008. - január ( 9. évf. , 1. sz.). - 89-98 . o . - doi : 10.2174/138920008783331149 . — PMID 18220576 .  (nem elérhető link)

Linkek

• Anyagcsere a Curlie Link könyvtárban (dmoz)
• HMDB

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4807318-0