上海有機(jī)所開發(fā)出四維代謝組學(xué)精準(zhǔn)分析技術(shù)Met4DX
中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心研究員朱正江課題組在《自然-通訊》（Nature Communications）上，在線發(fā)表了題為A mass spectrum-oriented computational method for ion mobility-resolved untargeted metabolomics的研究論文。該工作針對基于離子淌度質(zhì)譜的四維代謝組學(xué)技術(shù)開發(fā)了一種端到端的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)Met4DX，用于四維代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的四維峰檢測、峰對齊和峰定量，并結(jié)合四維數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)代謝物的四維精準(zhǔn)匹配和鑒定（圖1）。 C<\O;-nHH
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離子淌度質(zhì)譜相較于傳統(tǒng)質(zhì)譜增加了根據(jù)離子尺寸、形狀以及電荷分離的離子淌度，有效提升了質(zhì)譜的分離能力，特別是代謝物同分異構(gòu)體的分辨能力，其跟液相色譜聯(lián)用形成多維分離分析技術(shù)，可進(jìn)一步提高復(fù)雜生物樣本分析的分離度和峰容量。一次四維代謝組學(xué)分析能夠同時對代謝物離子進(jìn)行四個維度的表征，包括精確質(zhì)量數(shù)（MS1）、二級質(zhì)譜圖(MS/MS)、色譜保留時間（RT）和離子淌度碰撞截面積（CCS），能有效提升對復(fù)雜生物樣品中代謝物定性和定量分析的覆蓋度和準(zhǔn)確度。然而，四維代謝組數(shù)據(jù)的高度復(fù)雜性對數(shù)據(jù)的高效精準(zhǔn)分析提出了挑戰(zhàn)，尤其是四維質(zhì)譜峰的檢測仍是難點(diǎn)。因此，四維代謝組數(shù)據(jù)分析技術(shù)和工具相對有限。目前，少量工具如MS-DIAL與MZmine等均采用自上而下壓縮數(shù)據(jù)的降維策略進(jìn)行峰檢測。該降維策略可以降低數(shù)據(jù)的維數(shù)和復(fù)雜性，但降維過程也不可避免低引入了信號掩蔽及干擾，顯著降低了四維峰檢測的靈敏度。 u E{nnNZy
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液相色譜-離子淌度-質(zhì)譜依次從液相、離子淌度以及質(zhì)譜維度對代謝物實(shí)現(xiàn)多維分離，所需要的時間也逐級減小。受到該分離方式的啟發(fā)，本研究開發(fā)了從一張質(zhì)譜圖出發(fā)的自下而上峰組裝算法（mass spectrum oriented bottom-up assembly algorithm）用于四維代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中四維峰的檢測（圖2）。該技術(shù)的特點(diǎn)是將每一張質(zhì)譜圖作為四維數(shù)據(jù)中的最小數(shù)據(jù)單元，采用逆向工程的策略依次構(gòu)建其在離子淌度和液相色譜上的峰形。具體地，對于每一張質(zhì)譜圖，該算法會依次進(jìn)行其前體離子的搜索、離子淌度流出峰的組裝與檢測、離子淌度流出峰的拓展、色譜流出峰的組裝與檢測和四維峰積分等五個步驟實(shí)現(xiàn)四維代謝峰檢測與峰定量。本工作開發(fā)的自下而上的峰組裝算法避免了數(shù)據(jù)壓縮與降維，有效地提高了四維峰檢測的覆蓋度與靈敏度。以上述算法為核心，科研人員進(jìn)一步開發(fā)了適用于四維代謝組學(xué)的端到端的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)Met4DX，通過二級譜圖去冗余模塊、自下而上的峰組裝模塊、四維峰對齊以及分組模塊、代謝物的多維匹配與鑒定模塊等實(shí)現(xiàn)了的四維復(fù)雜代謝組的精準(zhǔn)定性和精確定量分析。 'Ijjk`d&c
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Met4DX技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高覆蓋的四維質(zhì)譜峰檢測，定量精密度高。與同類技術(shù)相比（如MS-DIAL和MetaboScape），Met4DX能夠提升四維峰檢測的覆蓋度2-3倍，提升準(zhǔn)確定量代謝物的數(shù)目2-5倍。Met4DX在代謝物同分異構(gòu)體識別上具有優(yōu)異的性能。以在小鼠肝臟代謝組為例，Met4DX精準(zhǔn)識別代謝物同分異構(gòu)體數(shù)目高達(dá)3033對，比同類技術(shù)顯著提升3.6倍，且可準(zhǔn)確識別出CCS差異為1%的共流出同分異構(gòu)體。同時，該研究還收集了HMDB和KEGG中的超過13萬個代謝物，建立了目前最全面的四維代謝物數(shù)據(jù)庫用于代謝物的多維匹配與鑒定。 {(!j6 |jK
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[attachment=117357] }J&[Uc 圖1.四維代謝組學(xué)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)Met4DX RtVG6'Y Ad:)5R
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