临床质谱近年来发展迅猛，许多诊断标志物都是小分子代谢物，表明代谢组学从研究到临床转化的路径更快；与此同时，代谢组学近年来在生命医学、植物学、暴露组学等研究中发挥了越来越重要的作用，几乎每一项多组学研究的卓越成果都离不开代谢组学。在成为热点的同时，代谢组学研究目前还存在数据库不够丰富、代谢流方法不够完善、难以动态追踪代谢过程等难点。我们就此些难点，邀请了清华大学代谢与脂质组学平台主管刘晓蕙博士，给大家分享课题组建立的代谢流、代谢组学的独特方法，对质谱仪器如何促进平台建设亦分享了她的经验，希望对广大网友有帮助。
清华大学代谢与脂质组学平台主管 刘晓蕙博士 （采访视频）
代谢流研究：追本溯源 探索机理
传统上，通过代谢组学观察到的信息是代谢产物的静态含量，无法追踪其来源。比如观察到脂肪酸含量增加，其原因既可能是脂肪酸合成增加，也可能是其降解减慢，而研究者真正想去探究的是其过程，代谢流的研究可以很好地解决这一问题。
总体来说，代谢流分析一般针对特定的代谢通路去研究动态变化，信息量比较受限；而生物体本身是一个非常复杂的网络，有些信息是无法提前预估判断的，靶向方法因此受限。基于该难点，刘晓蕙团队发挥Orbitrap高分辨质谱仪的特性，建立了一种代谢流的非靶向分析方法，从而大幅提升了分子覆盖度。同时尝试将Orbitrap上建立的非靶向方法转移到TSQ三重四极杆质谱系统，利用TSQ的高灵敏度特性覆盖低丰度的代谢产物。
用TSQ三重四极杆覆盖低丰度产物，补充非靶向结果
该方法不仅实现了广谱的代谢产物分子覆盖度，而且兼顾了灵敏度，可覆盖近300个低丰度代谢产物，如实现NADPH这种低丰度代谢物的分析。
赛默飞Orbitrap高分辨质谱仪和TSQ三重四极杆质谱系统
质谱核心平台 助力科学发现
“质谱是代谢与脂质组学平台的核心技术，平台的工作就是结合不同的色谱和质谱技术，完成代谢与脂质组学中各种小分子的定性定量分析。平台自建立后，参与发表或支撑的文章达200余篇，由Orbitrap和TSQ作为主力质谱为平台发展提供了最有力的技术支撑，Orbitrap的高质量分辨率、高质量精确度为鉴定提供了很大帮助。”
清华大学代谢与脂质组学平台
2022年，清华大学与多单位合作在《科学》（Science）杂志上发表两篇研究论文[1,2]，发现了植物中广泛存在的两类新型植物免疫信号分子pRib-ADP/AMP和ADPr-ATP/ADPR，可作为通用的天然免疫分子来抵御多种植物病害，刘晓蕙团队对上述两类小分子的鉴定作出了重要贡献。刘晓蕙团队与清华大学生命学院王一国实验室合作，利用Orbitrap质谱的高分辨特性，开发了基于稳定同位素的高胰岛素-正葡萄糖钳夹实验新方法，其成果发表于Cell Discovery上 [3]。
与赛默飞合作 探索无限可能
代谢组学平台已成功运行10年，刘晓蕙亦分享了平台运行的经验心得。首先，需要重视人员的建设和发展。对于前沿的代谢组学分析平台，尚难以形成规范化的SOP流程，更需要个性化的方法开发，因此对于人员的依赖性较大，对于技术人员的要求较高。
其次，平台的成功运行离不开仪器厂商的技术支持，平台的主要仪器包括高分辨的Orbitrap IQ-X，Orbitrap QE，Exactive GC Orbitrap，transmit-Orbitrap质谱成像系统, TSQ Altis plus 三重四极杆液质联用仪等。
展望平台的未来时刘晓蕙表示：“当前的代谢组学方法尚不够完善，希望在现有代谢数据库基础上，进一步扩大数据库；此外将发展深度学习算法来辅助建立一些未知代谢产物的数据库，拓展组学研究深度。平台还将开展质谱成像、单细胞组学的前沿应用。单细胞的代谢组研究前景广阔，希望平台可以尽早开发出一套成熟的单细胞代谢组解决方案。”
最后，刘晓蕙表达了对双方合作的期待：“未来，我们与赛默飞将有更大的合作空间，期望在不久的将来，双方能够携手并进，共同推进科学前沿领域的探索、推进中国科研的发展”。
刘晓蕙博士与赛默飞Orbitrap质谱仪
参考文献：
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)
人物简介
从中国科学技术大学毕业后，刘晓蕙赴美获得印第安纳大学博士学位，期间主要从事基于质谱的蛋白质组学方法开发研究，后在哈佛医学院/布莱根医院博士后期间，主要从事质谱影像在临床中的应用工作。2013年，清华大学建立代谢与脂质组学平台，刘晓蕙回国并深入参与了平台的建设过程。
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