聚焦代謝組學平臺建設 促進技術向應用轉化——訪清華大學代謝組學...

　　清華大學代謝組學平臺為國家蛋白質科學研究(北京)設施清華大學蛋白質研究技術中心下設平臺之一。經過幾年的發展，該平臺擁有了完善的代謝產物及脂質物質的二級資料庫及常見內源性代謝物的信息採集與數據分析方法，可以提供準確的代謝組學和代謝流分析服務。如今代謝組學領域的人提到清華大學代謝組學平臺就像是找到了組織一樣。

　　儀器信息網編輯近期採訪了清華大學代謝組學平臺主管劉曉蕙博士，劉曉蕙博士從代謝組學研究現狀、代謝組平臺建設情況、發展機遇與挑戰等方面進行了詳細的講解。

清華大學代謝組學平臺主管 劉曉蕙博士

    技術應用於實際，萬變不離質譜

　　劉曉蕙博士是一名年輕的80後，但是從事質譜研究卻已經有14個年頭了。不過期間她所研究的領域還是發生了很大變化。如，2003年博士就讀於印第安納大學，從事基於質譜的蛋白質組學方法開發研究;畢業以後，在布萊根醫院/哈佛醫學院進行博士後工作，主要從事質譜影像在臨床中的應用工作;2013年回到清華大學，任蛋白質研究技術中心代謝組學平臺主管，負責代謝組學平臺的建立和發展。

　　對於三個研究方向的改變原因，劉曉蕙談到，蛋白質組學、質譜成像、代謝組學學術上的關係是相輔相成的，方向變化是因為個人興趣點的轉移。「當時做了幾年蛋白質組學方面的方法研究，覺得這些工作離實際應用較遠。而我一直的想法是——希望做一些能真正幫助到別人的工作，同時質譜是不能拋掉的。」

　　「博士畢業之際，聽到布萊根醫院/哈佛醫學院招聘做『質譜成像用於臨床診斷』的博後，把質譜放在真正的臨床當中、放在手術室裡。當時衝著這個激動人心的項目就跑過去了。」劉曉蕙回憶到，「因為，大部分手術時用的影像還是術前的影像，在手術之中醫生要憑著經驗判斷腫瘤組織是否切乾淨了。據統計這樣做就算是乳腺癌這種成熟的手術至少有20%手術的腫瘤組織是沒有切乾淨的。而質譜成像技術給出結果是非常快的，完全可以在手術進行時旁邊放上一臺，隨時測試直到切乾淨為止，這樣質譜發揮的作用就大了。」

　　「後來，我意識到疾病診斷中小分子可能比蛋白質研究更有潛力，有些疾病在小分子上反應的更明顯。因為小分子代謝物容易受到調控，而蛋白方面更多受基因影響，這個改變是很緩慢的。疾病狀態、免疫系統變化等可能在小分子方面會更容易體現出來，還可以利用到我的質譜背景知識，發揮我的專長，同時還有家庭因素，所以就回到了清華大學。」

　　談到這些經歷，劉曉蕙認為，「多積累不同背景的知識很有用，多接觸不同知識背景的人也可以了解他們思考問題的方式。雖然我的研究方向發生了一定的變化，但不變的是一直在從事質譜方面的研究，也就是說最根本的東西從來沒有變過。」

    目標：建立高通量的、結果可靠的代謝組學分析方法

　　2013年劉曉蕙回國進入清華大學負責代謝組學平臺的建設和運營，而平臺主要做方法開發的工作。鑑於現在代謝組學整體發展程度還不夠，平臺進行方法開發時遇到了低覆蓋率、資料庫不完善等問題。為了解決以上問題，劉曉蕙帶領團隊從硬體、軟體方面，在平臺儀器配置、方法開發、資料庫建設方面開展了一系列工作。

　　「工欲善其事必先利其器」，劉曉蕙的代謝組學平臺是一個小而精的平臺，只有四臺儀器四個人。四臺儀器都是質譜，包括高分辨的Orbitrap和高靈敏度的三重四極杆質譜。「因為之前做蛋白質組學時體會到了Orbitrap的優勢，所以這次自然也選擇了Orbitrap。在用Orbitrap採集數據的時候，用FS-ddMS2辦法能夠同時得到一此和二級信息，而且，Orbitrap只採一級的話也可以正負切換，通量提高了兩倍。另外，三重四極杆的特性是靈敏度高，有些代謝產物做篩選的時候色譜條件不合適或者靈敏度達不到，這種情況下會用三重四極杆質譜方法做補充性的工作，結合起來可以達到準確分析的目的。

　　「現在代謝組學的方法還不是很成熟、不夠完善，所以我們現在想建立的是高通量的、結果可靠的代謝組學分析方法，並且從數據採集到數據分析的整個流程實現自動化。」劉曉蕙說到。「為了實現代謝組學的高通量分析，資料庫是非常關鍵的。目前，代謝組學研究的大部分人使用的還是線上的公共資料庫，公共資料庫不好的一點是不適合高通量分析。因為公共資料庫鑑定100個樣品的時候檢索速度就會非常慢。所以，高通量分析的話最好使用本地資料庫。我們自建的本地資料庫即使搜索500個以上數據，使用普通電腦也沒有問題。」

　　另外，鑑於代謝物覆蓋率低的問題，目前劉曉蕙的團隊正在把不同小分子的檢測方法補充進來，通過多種方法結合的方式提高代謝物的檢測覆蓋率。

    代謝流、代謝表型研究興起，代謝組學研究有待突破

　　代謝組學是近些年廣受關注的熱點，不過，劉曉蕙認為，代謝組學要實現真正的突破還需要時間。目前，無論國內還是國外，其實都沒有出現突破性成果。如，很多人想從藥物靶點方面著手通過代謝去治療癌症，但是並沒有取得很明確的效果。

　　「現在國內欠缺的是代謝流方面的研究。」據劉曉蕙介紹，「代謝流主要是做機理分析，對於機理詮釋方面是非常重要的。代謝通路監測方面，單純監測代謝產物變化有時無法反應整條通路的變化。代謝通路屬於網絡調控，特異性較小。比如說，一個代謝產物發生變化是一個綜合結果，可能有十幾條代謝通路產生或消耗。再比如，針對某種病變，我們敲除一個調控蛋白，然後監測到某個代謝產物發生了變化。但是我們不知道它是從哪個通路來的，因為它反映的是重新調控後的穩態。所以，如果要監測它來源於哪條通路就需要做代謝流分析了。代謝流分析對於機理方面的詮釋非常明確。」

　　「質譜不能說是做代謝流分析的唯一的手段，但是卻可以肯定的說質譜是代謝流分析的最好手段。現在有人在嘗試用NMR去做代謝流分析，但是總體來講，質譜因為較高的靈敏度或對複雜組分解析程度成為代謝流分析的主要技術。」劉曉蕙說到，「代謝流研究在代謝方面佔的比重會越來越大，尤其是在生物學和免疫研究方面，大家會越來越多用代謝流去追蹤特定的代謝通路。」

　　劉曉蕙還指出，除了代謝流之外，代謝組學領域另一個研究熱點是代謝表型研究，即通過代謝產物或者輪廓表徵疾病的狀態。現在很多人在做臨床診斷生物標誌物方面的工作，通過代謝物檢測做一些臨床疾病的早期診斷，包括對阿爾茲海默病、心血管疾病的早期診斷等。另外，質譜影像也是通過代謝物去表徵疾病的狀態，主要是通過組織樣本的代謝輪廓去判斷這個組織是正常組織還是癌症組織。

　　採訪編輯：仝令坤 劉豐秋

　　後記

　　關於質譜技術與代謝組學的關係，劉曉蕙認為不是代謝組學給質譜帶來機遇，而是質譜技術的進步帶給代謝組學以發展機遇。因為一般情況是技術發展推動學科發展，代謝組學發展很大程度上要依賴質譜等技術的發展。所以，採訪中劉曉蕙特別提到，像賽默飛等儀器公司與科研單位以及高校的合作應該長期化、內容不斷深入，達到雙贏的目的。

　　簡歷

　　劉曉蕙，女，博士，清華大學生命科學院助理研究員、清華大學蛋白質研究技術中心代謝組學平臺主管。2003年本科畢業於中國科學技術大學，2011年畢業於印第安納大學並取得博士學位，2011-2013年在哈佛醫學院/布萊根醫院任博士後。2013年6月起受聘於清華大學生命科學院。研究內容主要應用質譜技術為基礎研究脂質組學與代謝組學。