上海有機(jī)所生物與化學(xué)交叉研究中心發(fā)表大規(guī)模代謝物結(jié)構(gòu)鑒定新算法MetDNA
近日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》雜志發(fā)表了由中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江研究員課題組的最新研究成果“Metabolic Reaction Network-based Recursive Metabolite Annotation for Untargeted Metabolomics”基于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）技術(shù)的非靶向代謝組學(xué)研究嚴(yán)重受限于代謝物結(jié)構(gòu)鑒定的低效率和低準(zhǔn)確度。該工作首次發(fā)展了一種基于代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的代謝物結(jié)構(gòu)鑒定算法MetDNA，創(chuàng)新性地克服了代謝物結(jié)構(gòu)鑒定對(duì)于代謝物標(biāo)準(zhǔn)MS/MS譜圖庫(kù)的依賴，能夠在多種生物樣本中鑒定出超過(guò)2,000種代謝物的結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)方法提高了近10倍，極大地提高了代謝物結(jié)構(gòu)鑒定的效率和準(zhǔn)確度。
代謝組學(xué)技術(shù)主要分析生命體內(nèi)小分子代謝物的含量和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，幫助更直接、更準(zhǔn)確地研究疾病發(fā)生的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期預(yù)防、診斷和治療。液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）技術(shù)能夠同時(shí)檢測(cè)多種代謝物，具有高選擇性和高靈敏度等特點(diǎn)，是代謝組學(xué)研究的主要工具之一?；贚C-MS技術(shù)的非靶向代謝組學(xué)研究雖然能夠在一次檢測(cè)中采集數(shù)萬(wàn)個(gè)代謝物信號(hào)特征峰，但是嚴(yán)重受限于代謝物結(jié)構(gòu)鑒定的低效率和低準(zhǔn)確度。小分子代謝物的標(biāo)準(zhǔn)MS/MS譜圖庫(kù)是代謝物結(jié)構(gòu)鑒定的關(guān)鍵，目前必須通過(guò)采集代謝物標(biāo)準(zhǔn)品獲取。但是目前大量代謝物沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)品，因此代謝物標(biāo)準(zhǔn)MS/MS譜圖數(shù)目的缺乏嚴(yán)重限制了代謝物的結(jié)構(gòu)鑒定和代謝組學(xué)的應(yīng)用。針對(duì)代謝物結(jié)構(gòu)鑒定的挑戰(zhàn)，朱正江開(kāi)拓者開(kāi)發(fā)了一種基于代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的代謝物結(jié)構(gòu)鑒定新方法MetDNA （Metabolite identification and Dysregulated Network Analysis）。
在細(xì)胞代謝中，一個(gè)代謝物可以通過(guò)酶催化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N代謝物。同一個(gè)代謝反應(yīng)中兩個(gè)代謝物可定義為反應(yīng)對(duì)鄰近代謝物（reaction-paired neighbor metabolite）。反應(yīng)對(duì)鄰近代謝物具有結(jié)構(gòu)相似性，因此其MS/MS譜圖也具有一定的相似性。利用這個(gè)原理，MetDNA算法利用樣本中已經(jīng)鑒定出的代謝物作為種子，進(jìn)一步鑒定代謝網(wǎng)絡(luò)中鄰近的代謝物。新鑒定出的代謝物可作為新的種子，繼續(xù)鑒定代謝網(wǎng)絡(luò)中鄰近代謝物，遞歸運(yùn)算，直到不再能夠鑒定出新的鄰近代謝物。該算法的最大特點(diǎn)是可以通過(guò)代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)去鑒定沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)MS/MS譜圖的代謝物，使得代謝物的結(jié)構(gòu)鑒定并不依賴很大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)MS/MS數(shù)據(jù)庫(kù)。例如，MetDNA方法可以利用20個(gè)種子代謝物即可完成>1000個(gè)鄰近代謝物的注釋，創(chuàng)新性地克服了代謝物標(biāo)準(zhǔn)MS/MS譜圖庫(kù)數(shù)目的限制。研究人員使用MetDNA處理了多個(gè)數(shù)據(jù)集（涵蓋5種物種、7種樣品類型以及多種儀器平臺(tái)），所有的數(shù)據(jù)集都能鑒定出來(lái)約2,000個(gè)代謝物的結(jié)構(gòu)，證明了MetDNA是一個(gè)不依賴于平臺(tái)且較為通用的代謝物結(jié)構(gòu)鑒定算法和工具。
大規(guī)模代謝物結(jié)構(gòu)鑒定新算法MetDNA
為了方便研究人員使用MetDNA，朱正研究員課題組開(kāi)發(fā)了基于阿里巴巴云服務(wù)器的MetDNA網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)（http://metdna.zhulab.cn/），學(xué)術(shù)界用戶可以免費(fèi)進(jìn)行注冊(cè)使用，商業(yè)用途需要聯(lián)系朱正江研究員進(jìn)行授權(quán)使用。MetDNA 算法已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利和軟件著作權(quán)的保護(hù)。
上述工作由中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江研究員為通訊作者，研究生申小濤博士為第一作者。交叉中心劉南研究員及研究生馬在軍參與了該研究。經(jīng)費(fèi)支持主要來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院。
文章鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-019-09550-x
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