Метаболом: полный набор малых молекул в биологическом образце.

Введение

Полный набор малых молекул в биологическом образце

Метаболом – это полный набор низкомолекулярных химических соединений, обнаруженных в биологическом образце. Биологическим образцом может быть клетка, клеточная органелла, орган, ткань, экстракт ткани, биожидкость или целый организм. Низкомолекулярные химические соединения, входящие в состав метаболома, могут включать как эндогенные метаболиты, естественным образом производимые организмом (например, аминокислоты, органические кислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты, амины, сахара, витамины, кофакторы, пигменты, антибиотики и т.д.), так и экзогенные химические соединения (например, лекарственные препараты, загрязнители окружающей среды, пищевые добавки, токсины и другие ксенобиотики), которые не производятся организмом естественным путем. Таким образом, существует как эндогенный, так и экзогенный метаболом. Эндогенный метаболом может быть дополнительно разделен на "первичный" и "вторичный" метаболом (особенно применительно к растительным или микробным метаболомам). Первичные метаболиты непосредственно участвуют в нормальном росте, развитии и размножении. Вторичные метаболиты не участвуют непосредственно в этих процессах, но обычно выполняют важную экологическую функцию. Вторичные метаболиты могут включать пигменты, антибиотики или продукты распада, образовавшиеся в результате частичного метаболизма ксенобиотиков. Изучение метаболома называется метаболомикой.

Происхождение

Слово "метаболом", по всей видимости, является объединением слов "метаболит" и "хромосома". Оно было создано, чтобы подразумевать, что метаболиты косвенно кодируются генами или воздействуют на гены и продукты генов. Термин "метаболом" впервые был использован в 1998 году и, вероятно, был введен в употребление для соответствия существующим биологическим терминам, обозначающим полный набор генов (геном), полный набор белков (протеом) и полный набор транскриптов (транскриптом). Первая книга по метаболомике была опубликована в 2003 году. Первый журнал, посвященный метаболомике (под названием просто "Metabolomics") был запущен в 2005 году и в настоящее время редактируется профессором Роем Гудакером. Некоторые из наиболее важных ранних работ по анализу метаболома перечислены в списке литературы ниже.

Измерение метаболизма

Метаболом отражает взаимодействие между геномом организма и его средой. В результате, метаболом организма может служить отличным инструментом для изучения его фенотипа (т.е. продукта его генотипа и среды). Метаболиты могут быть измерены (идентифицированы, количественно определены или классифицированы) с использованием различных технологий, включая ЯМР-спектроскопию и масс-спектрометрию. Большинство методов масс-спектрометрии (МС) требуют сочетания с различными видами жидкостной хроматографии (ЖХ), газовой хроматографии (ГХ) или капиллярного электрофореза (КЭ) для облегчения разделения соединений. Каждый метод обычно способен идентифицировать или охарактеризовать от 50 до 5000 различных метаболитов или метаболических "признаков" одновременно, в зависимости от используемого прибора или протокола. В настоящее время невозможно проанализировать весь спектр метаболитов одним аналитическим методом. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)-спектроскопия – это метод аналитической химии, который измеряет поглощение радиочастотного излучения определенными ядрами, когда молекулы, содержащие эти ядра, помещаются в сильное магнитное поле. Частота (т.е. химический сдвиг), при которой атом или ядро поглощает излучение, сильно зависит от химического окружения этого атома в молекуле (связи, химической структуры ближайших соседей, растворителя). ЯМР-поглощение создает пики "резонанса" на разных частотах или химических сдвигах – совокупность этих пиков называется ЯМР-спектром. Поскольку каждое химическое соединение имеет уникальную химическую структуру, каждый compound будет иметь уникальный (или почти уникальный) ЯМР-спектр. Поэтому ЯМР особенно полезен для характеристики, идентификации и количественного определения малых молекул, таких как метаболиты. Широкое использование ЯМР в "классических" метаболических исследованиях, а также его исключительная способность работать со сложными смесями метаболитов, вероятно, объясняет, почему ЯМР был одной из первых технологий, широко принятых для рутинных измерений метаболома. Как аналитический метод, ЯМР является неразрушающим, непредвзятым, легко поддается количественной оценке, требует минимальной или отсутствующей предварительной сепарации, позволяет идентифицировать новые соединения и не требует химической дериватизации. ЯМР особенно подходит для обнаружения соединений, которые трудно анализировать с помощью ЖХ-МС, таких как сахара, амины или летучие жидкости, или ГХ-МС, таких как крупные молекулы (>500 Да) или относительно нереактивные соединения. ЯМР не является высокочувствительным методом, с пределом обнаружения около 5 мкМ. Обычно с помощью метаболомных исследований на основе ЯМР можно идентифицировать от 50 до 150 соединений. Масс-спектрометрия – это аналитический метод, который измеряет отношение массы к заряду молекул. Молекулы или фрагменты молекул обычно заряжаются или ионизируются путем распыления их в заряженном поле (электроспрейная ионизация), бомбардировки электронами из горячей нити (электронная ионизация) или облучения лазером при помещении на специально покрытые пластины (матрично-активированная лазерная десорбционная ионизация). Затем заряженные молекулы движутся в пространстве с помощью электродов или магнитов, и измеряются их скорость, кривизна траектории или другие физические характеристики для определения отношения массы к заряду. На основе этих данных можно определить массу исходной молекулы. Дальнейшая фрагментация молекулы путем контролируемых столкновений с молекулами газа или электронами может помочь определить ее структуру. Высокоточные измерения массы также могут быть использованы для определения элементарных формул или элементного состава соединений. Большинство видов масс-спектрометрии требуют предварительного разделения с использованием жидкостной или газовой хроматографии. Этот этап разделения необходим для упрощения получаемых масс-спектров и более точной идентификации соединений. Некоторые методы масс-спектрометрии также требуют дериватизации или химической модификации молекул для облегчения хроматографического разделения (особенно это касается ГХ-МС). Как аналитический метод, МС является высокочувствительным, требует очень небольшого количества образца (<1 нг вещества или <10 мкл биожидкости) и может генерировать сигналы для тысяч метаболитов из одного образца. МС-приборы также могут быть настроены для высокопроизводительного анализа метаболома (сотни или тысячи образцов в день). Количественное определение метаболитов и определение структуры новых соединений с помощью МС сложнее, чем с помощью ЯМР. ЖХ-МС особенно подходит для обнаружения гидрофобных молекул (липидов, жирных кислот) и пептидов, а ГХ-МС – для обнаружения малых молекул (<500 Да) и высоколетучих соединений (эфиров, аминов, кетонов, алканов, тиолов). В отличие от генома или даже протеома, метаболом – это высокодинамичная сущность, которая может резко меняться за секунды или минуты. Поэтому растет интерес к измерению метаболитов в несколько моментов времени или через короткие интервалы времени с использованием модифицированных версий ЯМР- или МС-метаболомики.

The metabolome reflects the interaction between an organism's genome and its environment. As a result, an organism's metabolome can serve as an excellent probe of its phenotype (i. e. the product of its genotype and its environment). Metabolites can be measured (identified, quantified or classified) using a number of different technologies including NMR spectroscopy and mass spectrometry. Most mass spectrometry (MS) methods must be coupled to various forms of liquid chromatography (LC), gas chromatography (GC) or capillary electrophoresis (CE) to facilitate compound separation. Each method is typically able to identify or characterize 50 5,000 different metabolites or metabolite "features" at a time, depending on the instrument or protocol being used. Currently it is not possible to analyze the entire range of metabolites by a single analytical method. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is an analytical chemistry technique that measures the absorption of radiofrequency radiation of specific nuclei when molecules containing those nuclei are placed in strong magnetic fields. The frequency (i. e. the chemical shift) at which a given atom or nucleus absorbs is highly dependent on the chemical environment (bonding, chemical structure nearest neighbours, solvent) of that atom in a given molecule. The NMR absorption patterns produce "resonance" peaks at different frequencies or different chemical shifts – this collection of peaks is called an NMR spectrum. Because each chemical compound has a different chemical structure, each compound will have a unique (or almost unique) NMR spectrum. As a result, NMR is particularly useful for the characterization, identification and quantification of small molecules, such as metabolites. The widespread use of NMR for "classical" metabolic studies, along with its exceptional capacity to handle complex metabolite mixtures is likely the reason why NMR was one of the first technologies to be widely adopted for routine metabolome measurements. As an analytical technique, NMR is non destructive, non biased, easily quantifiable, requires little or no separation, permits the identification of novel compounds and it needs no chemical derivatization. NMR is particularly amenable to detecting compounds that are less tractable to LC MS analysis, such as sugars, amines or volatile liquids or GC MS analysis, such as large molecules (>500 Da) or relatively non reactive compounds. NMR is not a very sensitive technique with a lower limit of detection of about 5 μM. Typically 50 150 compounds can be identified by NMR based metabolomic studies. Mass spectrometry is an analytical technique that measures the mass to charge ratio of molecules. Molecules or molecular fragments are typically charged or ionized by spraying them through a charged field (electrospray ionization), bombarding them with electrons from a hot filament (electron ionization) or blasting them with a laser when they are placed on specially coated plates (matrix assisted laser desorption ionization). The charged molecules are then propelled through space using electrodes or magnets and their speed, rate of curvature, or other physical characteristics are measured to determine their mass to charge ratio. From these data the mass of the parent molecule can be determined. Further fragmentation of the molecule through controlled collisions with gas molecules or with electrons can help determine the structure of molecules. Very accurate mass measurements can also be used to determine the elemental formulas or elemental composition of compounds. Most forms of mass spectrometry require some form of separation using liquid chromatography or gas chromatography. This separation step is required to simplify the resulting mass spectra and to permit more accurate compound identification. Some mass spectrometry methods also require that the molecules be derivatized or chemically modified so that they are more amenable for chromatographic separation (this is particularly true for GC MS). As an analytical technique, MS is a very sensitive method that requires very little sample (<1 ng of material or <10 μL of a biofluid) and can generate signals for thousands of metabolites from a single sample. MS instruments can also be configured for very high throughput metabolome analyses (hundreds to thousands of samples a day). Quantification of metabolites and the characterization of novel compound structures is more difficult by MS than by NMR. LC MS is particularly amenable to detecting hydrophobic molecules (lipids, fatty acids) and peptides while GC MS is best for detecting small molecules (<500 Da) and highly volatile compounds (esters, amines, ketones, alkanes, thiols). Unlike the genome or even the proteome, the metabolome is a highly dynamic entity that can change dramatically, over a period of just seconds or minutes. As a result, there is growing interest in measuring metabolites over multiple time periods or over short time intervals using modified versions of NMR or MS based metabolomics.

Базы данных метаболизма

Поскольку метаболом организма в значительной степени определяется его геномом, у разных видов будут разные метаболомы. Действительно, тот факт, что метаболом помидора отличается от метаболома яблока, является причиной того, что эти два фрукта так сильно различаются по вкусу. Более того, различные ткани, органы и биожидкости, связанные с этими органами и тканями, также могут иметь существенно различные метаболомы. Тот факт, что разные организмы и разные ткани/биожидкости имеют столь различные метаболомы, привел к разработке ряда баз данных метаболомов, специфичных для организмов и биожидкостей. Некоторые из наиболее известных баз данных метаболомов включают в себя базу данных метаболома человека (HMDB), базу данных метаболома дрожжей (YMDB), базу данных метаболома E. coli (ECMDB), базу данных метаболома Arabidopsis (AraCyc), а также базу данных метаболома мочи, базу данных метаболома спинномозговой жидкости (CSF) и базу данных метаболома сыворотки. Последние три базы данных специфичны для биожидкостей человека. Существует также ряд очень популярных общих баз данных метаболитов, включая KEGG, MetaboLights, Golm Metabolome Database, MetaCyc, LipidMaps и Metlin. Базы данных метаболомов отличаются от баз данных метаболитов тем, что последние содержат слабо аннотированные или обобщенные данные о метаболитах из разных организмов, в то время как базы данных метаболомов содержат детально проработанные и обильно снабженные ссылками химические, путевые, спектральные данные и данные о концентрации метаболитов для конкретных организмов.

Атлас метаболизма стареющего мозга мыши

В 2021 году в онлайн-доступ был выложен первый атлас метаболома мозга мыши – и первого атласа метаболома мозга животного (млекопитающего) на разных этапах жизни. Данные различаются по областям мозга, а метаболические изменения можно сопоставить с существующими атласами генов и белков мозга.

Кишечный метаболом

Микробиота кишечника человека вносит вклад в этиологию колоректального рака посредством своего метаболома. В частности, превращение первичных желчных кислот во вторичные желчные кислоты, обусловленное бактериальным метаболизмом в толстой кишке, способствует канцерогенезу.