代谢组的状态是对遗传因素、外部环境和治疗干预等信息的综合反映，因此是一个跟踪和了解上述因素对表型影响的理想研究目标。代谢组可做多种样品类型、结果富含各种信息、可作为连接其他组学数据与表型之间的桥梁。 过去20年，组学研究飞速发展，处于中心法则末端的代谢组学虽然起步较晚但是发展很快。很多组学研究目前已进入单细胞时代，由于细胞异质性的存在，比起在组织水平上的研究，单细胞水平的变化研究能更好的探究细胞水平上的分子差异。单细胞基因组、转录组、蛋白组已有较成熟技术，目前代谢组学还相对停留在体液和组织水平，通过对体外培养的同一类细胞样品进行代谢组学检测，与单细胞研究较为接近。尽管如此，代谢组学的结果通过与其他单细胞组学结果的联合，仍然能为整个研究提供更深层次的相互印证解读，从而更好地解决探索相关科学问题。
文献案例一：代谢组学结合蛋白组学助力新冠诊疗 研究背景：该案例为迪安凯莱谱代谢组学实验室2020新冠病毒肺炎研究科研成果。项目由迪安凯莱谱代谢组学实验室和恩泽医院、西湖大学三方共同合作实施，由腾讯基金会提供资金支持。大家可以阅读微信腾讯新闻旗下的故事硬核工作室的报道：《分子战争：实验室里的新冠之战》，详细了解这篇Cell的产生过程。 实验设计及结果：实验共有四组，健康组、非新冠病人组（发烧和肺部不适病人但核酸检测为新冠阴性）、新冠轻症组、新冠重症组。通过比较非新冠病人组和新冠病人组的代谢组与蛋白组可以发现明显由新冠引起的差别，且不是由其他疾病引起的杂音。
通过代谢组学与蛋白质组学分别检测到941个代谢物和894个蛋白。根据代谢物和蛋白质联合的marker建立了随机森林预测模型，该模型旨在根据病人的血清代谢分子和蛋白差别预测可能发生为重症的样品。模型包括22个蛋白与7个代谢物共29个markers，用其做随机森林预测，在三次针对不同病人样品的预测中均取得了不错的预测结果。 案例总结：本文通过代谢组学和蛋白质组学联合研究发现了新冠病人血清中三个主要的分子变化：1.巨噬细胞及脂质代谢组的变化。2.补体系统的激活。3.血小板脱颗粒的异常。每一个方面都有蛋白和代谢变化的互相印证支持，从而大大提高了结果解释的合理性。该研究发现的代谢组学方面的主要结果显示脂类、氨基酸类、能量代谢和抗氧化应激相关的代谢物水平均显著下降，暗示病人在需要动员免疫系统抵抗病毒入侵的时候无法获得足够的资源。而这种多种类型代谢物全面下调的现象在非新冠病人中并没有发生。新冠病人血清中的其他代谢变化还包括显著升高的纤维蛋白原肽段和某些核苷酸等，值得进一步的探究。 文献案例二：代谢组学结合单细胞测序研究新冠病人免疫细胞的全面变化 实验设计及结果：实验共有4组，包括258例健康个体组，264例新冠病人分为轻、中、重三组。对所有人血浆做了蛋白组和代谢组的分析。将代谢组学测得数据与临床测得数据比较可以得到很好的相关性，证明该代谢组学平台所得数据完全可以和实际临床检测的结果相互印证。
之后又做了外周血中免疫细胞的单细胞分析。根据单细胞转录组的变化可将免疫细胞如CD8+ T cells分为初生型、细胞毒性型（效应型）、分化型、衰竭型等。正常组织中初生型多，效应型少，随着新冠病情增加，效应型T增加。
案例总结：该案例除血浆中蛋白质组与代谢组的工作外，引入了单细胞测序。新冠引发的变化很大程度上在免疫细胞层次，代谢组在免疫细胞层面研究较浅，该文章通过单细胞测序的方法补齐了这一块。在组学水平，得到了与Shen, et al. Cell文章中相同的结论：很多代谢物被抑制，导至营养能量、抗氧化能力显著下降，无法支持免疫水平调节需要的能量和合成的底物。该研究通过结合组学和单细胞水平上全景式的研究，得到了海量大数据为未来新冠研究提供了便利。 文献案例三：代谢组学联合单细胞测序为临床诊疗提供新思路 实验背景：强直性脊椎炎是一种自身免疫疾病。Th17免疫细胞会引起炎症反应，同时Th17免疫细胞会受到H3K27组蛋白的调控。H3K27组蛋白正常情况下处于去甲基化的状态，支持Th17免疫细胞的炎症反应特性。去甲基化酶KDM6起着保证H3K27组蛋白不被甲基化的作用。该研究希望探究抑制KDM6后Th17免疫细胞的转录和代谢是否会发生变化。该研究囊括了代谢组学、表观遗传学、单细胞测序、免疫学等多种研究方法。 实验设计及结果：该案例中收集了6个病人的T Cell进行培养。分别在12h、24h双时间点观测代谢物的变化情况。发现使用KDM6抑制剂后，Th17细胞的三羧酸循环被明显抑制，线粒体功能受损，这可以从减少的α酮戊二酸和N-甲酰蛋氨酸上反映出来。
通过单细胞测序将病人转录组分为9个cluster，发现抑制剂处理前后存在明显差别。Th17细胞的转录由支持引起炎症反应的状态转变为了休眠状态。
案例总结：Th17细胞的分化和成熟由糖酵解和TCA提供能量、三羧酸循环还提供各种合成需要的中间产物、磷酸戊糖途径提供NADPH还原剂等。使用KDM6抑制剂后，组蛋白H3K27发生甲基化，组蛋白甲基化后失去对Th17细胞的分化生长的支持 （磷酸戊糖途径降低，核苷酸减少，三羧酸循环弱化等），使得Th17细胞不能有效动员代谢物资源支持其炎症反应的功能。 目前虽然代谢组学尚无法做到单细胞水平，但已经开始出现不少代谢组学结合单细胞测序的多手段联合研究文章。凯莱谱希望通过本身代谢组学研究方面的高质量技术平台和丰富经验结合新格元领先的海量单细胞测序技术，帮助客户设计更好的实验方案以及得到更全面深度的研究结果，并在此基础上帮助客户实现高质量科研成果的发表和产品的开发转化。 |
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