Кіріспе
Биологиялық үлгідегі кіші молекулалардың толық жиынтығы – метаболом. Метаболом – биологиялық үлгіде табиғатта кездесетін кіші молекулалық химиялық заттардың толық жиынтығын білдіреді. Биологиялық үлгі – жасуша, жасушалық органелла, орган, тіндер, тіндердің сығындысы, биосұйықтық немесе толық организм болуы мүмкін. Белгілі бір метаболомда организмнің өзі өндіретін эндогендік метаболиттер (аминоқышқылдар, органикалық қышқылдар, нуклеин қышқылдары, май қышқылдары, аминдер, қанттар, дәрумендер, кофакторлар, пигменттер, антибиотиктер және т.б.) және организмнің өзі өндірмейтін экзогендік химиялық заттар (мысалы, дәрілер, қоршаған ортаның ластағыштары, тағамдық қоспалар, токсиндер және басқа да ксенобиотиктер) кіруі мүмкін. Яғни, эндогендік және экзогендік метаболомдар болады. Эндогендік метаболомды "біріншілік" және "екіншілік" метаболомдарға бөлуге болады (әсіресе өсімдіктер мен микроорганизмдер метаболомдарында). Біріншілік метаболиттер организмнің қалыпты өсуіне, дамуына және көбеюіне тікелей қатысады. Екіншілік метаболиттер бұл процестерге тікелей қатыспаса да, маңызды экологиялық функцияларды атқарады. Екіншілік метаболиттерге пигменттер, антибиотиктер немесе жартылай метаболизденген ксенобиотиктерден алынған қосалқы өнімдер жатуы мүмкін. Метаболомды зерттеу метаболомика деп аталады.
The metabolome refers to the complete set of small molecule chemicals found within a biological sample. The biological sample can be a cell, a cellular organelle, an organ, a tissue, a tissue extract, a biofluid or an entire organism. The small molecule chemicals found in a given metabolome may include both endogenous metabolites that are naturally produced by an organism (such as amino acids, organic acids, nucleic acids, fatty acids, amines, sugars, vitamins, co factors, pigments, antibiotics, etc.) as well as exogenous chemicals (such as drugs, environmental contaminants, food additives, toxins and other xenobiotics) that are not naturally produced by an organism. In other words, there is both an endogenous metabolome and an exogenous metabolome. The endogenous metabolome can be further subdivided to include a "primary" and a "secondary" metabolome (particularly when referring to plant or microbial metabolomes). A primary metabolite is directly involved in the normal growth, development, and reproduction. A secondary metabolite is not directly involved in those processes, but usually has important ecological function. Secondary metabolites may include pigments, antibiotics or waste products derived from partially metabolized xenobiotics. The study of the metabolome is called metabolomics.
Шығу тегі
Метаболом сөзі "метаболит" және "хромосома" сөздерінің қосылуынан пайда болған сияқты. Ол метаболиттер гендермен тікелей немесе жанама түрде кодталады немесе гендер мен ген өнімдеріне әсер етеді дегенді білдіру үшін жасалды. "Метаболом" термині алғаш рет 1998 жылы қолданылды және бұл гендердің толық жиынтығын (геном), ақуыздардың толық жиынтығын (протеом) және транскрипттердің толық жиынтығын (транскриптом) көрсететін бұрынғы биологиялық терминдермен үйлесу үшін ойлап табылды. Метаболомика туралы алғашқы кітап 2003 жылы жарық көрді. Метаболомикаға арналған алғашқы журнал ("Метаболомика" деп аталады) 2005 жылы жарияланды және қазіргі уақытта профессор Рой Гудакер басқарады. Метаболомды талдау бойынша маңызды алғашқы мақалалардың кейбіреулері төмендегі сілтемелерде тізімделген.
Метаболомды өлшеу
Метаболом организмнің геномдары мен ортасының өзара әрекеттесуін көрсетеді. Осының салдарынан, организмнің метаболомы оның фенотипіне (яғни генотипі мен ортасының нәтижесіне) тамаша зерттеу құралы болып табылады. Метаболиттерді әртүрлі технологиялар арқылы өлшеуге болады (анықтау, сандық бағалау немесе жіктеу), соның ішінде ЯМР спектроскопиясы және массалық спектрометрия. Көптеген массалық спектрометрия (МС) әдістері қосылыстарды бөлуді жеңілдету үшін сұйық хроматография (СХ), газ хроматографиясы (ГХ) немесе капиллярлық электрофорездің (КЭ) әртүрлі түрлерімен үйлестірілуі тиіс. Әрбір әдіс әдетте қолданылатын құралға немесе протоколға байланысты бір уақытта 50-5000 түрлі метаболитті немесе метаболиттік "сигналдарды" анықтай немесе сипаттай алады. Қазіргі уақытта бір талдау әдісімен метаболиттердің барлық спектрін талдау мүмкін емес. Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы – бұл белгілі бір ядролардың радиожиілік сәулеленуін сіңіруді өлшейтін аналитикалық химиялық әдіс, егер осы ядроларды қамтитын молекулалар күшті магнит өрісіне орналастырылған болса. Атомның немесе ядроның сіңіретін жиілігі (яғни химиялық ығысуы) берілген молекуладағы оның химиялық ортасына (байланыс, химиялық құрылым, жақын көршілер, еріткіш) тікелей байланысты. ЯМР сіңіру үлгілері әртүрлі жиіліктерде немесе әртүрлі химиялық ығысуларда "резонанс" шыңдарын тудырады – мұндай шыңдардың жиынтығы ЯМР спектрі деп аталады. Әр химиялық қосылыстың химиялық құрылымы әртүрлі болғандықтан, әр қосылыстың бірегей (немесе дерлік бірегей) ЯМР спектрі болады. Осының салдарынан ЯМР метаболиттер сияқты шағын молекулаларды сипаттау, анықтау және сандық бағалау үшін өте пайдалы. ЯМР-ді "классикалық" метаболикалық зерттеулерде кеңінен қолдану, сондай-ақ күрделі метаболиттер қоспаларын өңдеуге ерекше қабілеті, ЯМР-дің әдеттегі метаболомдық өлшемдер үшін кеңінен қабылданатын алғашқы технологиялардың бірі болуының себебі болуы мүмкін. Аналитикалық әдіс ретінде ЯМР бұзбайды, бұрмаланбайды, оңай сандық бағаланады, аздаған немесе бөлінуді қажет етпейді, жаңа қосылыстарды анықтауға мүмкіндік береді және химиялық өзгертуді қажет етпейді. ЯМР әсіресе СХ-МС талдауына нашар бейімделген қосылыстарды, мысалы қанттарды, аминдерді немесе ұшпа сұйықтықтарды, сондай-ақ ГХ-МС талдауына, мысалы үлкен молекулаларды (>500 Да) немесе салыстырмалы түрде реакцияға бейімделмейтін қосылыстарды анықтауға ыңғайлы. ЯМР өте сезімтал әдіс емес, оның анықтау шегі шамамен 5 мкМ. Әдетте, ЯМР негізіндегі метаболомиялық зерттеулерде 50-150 қосылысты анықтауға болады. Массалық спектрометрия – молекулалардың массасы мен заряды арақатынасын өлшейтін аналитикалық әдіс. Молекулалар немесе молекулалық фрагменттер әдетте зарядталған өріс арқылы шашырату (электроспрейлік иондау), оларды ыстық жіпшелі электрондармен бомбалау (электрондық иондау) немесе оларды арнайы жабылған пластиналарға орналастырған кезде лазермен шашу арқылы зарядталады немесе иондалады (матрицалық көмекке ие лазерлік десорбциялық иондау). Зарядталған молекулалар электродтар немесе магниттер арқылы кеңістікте жылжытылады және олардың жылдамдығы, қисықтық жылдамдығы немесе басқа физикалық сипаттамалары массасы мен заряды арақатынасын анықтау үшін өлшенеді. Осы деректерден бастапқы молекуланың массасын анықтауға болады. Газ молекулаларымен немесе электрондармен бақыланатын соқтығысулар арқылы молекуланың одан әрі фрагментациясы молекула құрылымын анықтауға көмектеседі. Сондай-ақ, қосылыстардың элементтік формулаларын немесе элементтік құрамын анықтау үшін өте дәл массалық өлшемдерді қолдануға болады. Массалық спектрометрияның көптеген түрлері сұйық хроматография немесе газ хроматографиясын қолдана отырып, бөлудің қандай да бір түрін қажет етеді. Бұл бөлу кезеңі алынған массалық спектрлерді жеңілдету және қосылысты дәлірек анықтау үшін қажет. Кейбір массалық спектрометриялық әдістер молекулаларды түзілімдеуді немесе химиялық түрлендіруді талап етеді, сондықтан олар хроматографиялық бөлуге бейімделеді (бұл әсіресе ГХ-МС үшін дұрыс). Аналитикалық әдіс ретінде МС өте сезімтал әдіс болып табылады, ол өте аз үлгіні қажет етеді (<1 нг материал немесе <10 мкл биосұйықтық) және бір үлгіден мыңдаған метаболиттер үшін сигналдарды тудыра алады. МС құралдарын метаболомдық талдауды өте жоғары өнімділікпен жүргізуге болады (күнде жүздеген-мыңдаған үлгілер). МС арқылы метаболиттерді сандық бағалау және жаңа қосылыстар құрылымын сипаттау ЯМР-ге қарағанда қиын. СХ-МС гидрофобты молекулаларды (липидтер, май қышқылы) және пептидтерді анықтауға өте ыңғайлы, ал ГХ-МС шағын молекулаларды (<500 Да) және жоғары ұшпа қосылыстарды (эфирлер, аминдер, кетондар, алкандар, тиолдар) анықтауға қолайлы. Геном немесе тіпті протеом сияқты, метаболом – өте динамикалық құрылым, ол секундық немесе минуттар ішінде күрт өзгеруі мүмкін. Осының салдарынан, ЯМР немесе МС негізіндегі метаболомиканың өзгертілген нұсқаларын қолдана отырып, әртүрлі уақыт аралықтарында немесе қысқа уақыт интервалдарында метаболиттерді өлшеуге қызығушылық артып келеді.
Метаболомдық деректер базалары
Организмнің метаболомы көбінесе оның геномымен анықталады, сондықтан әртүрлі түрлердің метаболомы да әртүрлі болады. Шындығында, помидордың метаболомы алмадан өзгеше болғандықтан, осы екі жемістің дәмі де мүлдем бөлек. Сонымен қатар, әртүрлі тіндер, әртүрлі органдар және олармен байланысты биосұйықтықтардың да өзіндік метаболомы болуы мүмкін. Әртүрлі организмдер мен тіндер/биосұйықтықтардың метаболомының осыншалықты әртүрлі болуы организмге және биосұйықтыққа тән метаболомдық деректер базасын жасауға алып келді. Белгілі метаболомдық деректер базаларына Адам метаболомының деректер базасы немесе HMDB, Ашытқы метаболомының деректер базасы немесе YMDB, E. coli метаболомының деректер базасы немесе ECMDB, Арабидопсис метаболомының деректер базасы немесе AraCyc, сондай-ақ Зәр метаболомының деректер базасы, Цереброспинальді сұйықтық (CSF) метаболомының деректер базасы және Сарысу метаболомының деректер базасы жатады. Соңғы үш деректер базасы адам биосұйықтықтарына арналған. KEGG, MetaboLights, Golm Metabolome Database, MetaCyc, LipidMaps және Metlin сияқты көптеген танымал жалпы метаболиттер деректер базалары да бар. Метаболомдық деректер базалары мен метаболиттер деректер базаларын мынадай ерекшеліктерімен ажыратуға болады: метаболиттер деректер базаларында бірнеше организмдерден алынған метаболиттер туралы жеңіл түсіндірілетін немесе жинақы мәліметтер болады, ал метаболомдық деректер базаларында нақты организмдер үшін химиялық, жолдар, спектрлік және метаболиттер концентрациясы туралы толыққанды және жан-жақты мәліметтер болады.
Ескірген тышқанның миының метаболомдық атласы
2021 жылы егеуқұйрық миының және жануардың (сүтқоректінің) өмірінің әртүрлі кезеңдеріндегі алғашқы ми метаболомы атласы онлайн режимінде жарияланды. Деректер ми аймақтары бойынша ажыратылады және метаболизмдегі өзгерістерлер "бар гендер мен белоктардың ми атластарымен байланыстырылуы мүмкін".
Ішек метаболомы
Адам ішегінің микробиотасы метаболом арқылы колоректальды қатерлі ісіктің пайда болуына себеп болады. Атап айтқанда, бактериялық метаболизм нәтижесінде тоқ ішектегі біріншілік өт қышқылдарының екіншілік өт қышқылдарына өзгеруі қатерлі ісіктің дамуына ықпал етеді.