基于生物信息学和高分辨质谱技术的代谢组深度注释新方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21874132
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0403.谱学方法与理论
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Mass spectrometry (MS) is one of the key analytical techniques in metabolomics research. The most commonly metabolite annotation approach for untargeted metabolomics is similarity search using MS reference databases. Untargeted metab¬olomics based on high resolution mass spectrometry (HRMS) collect more and more information. The coverage of mass spectrometry database of measured reference metabolites are far from covering the complex metabolome. The identification of unknown metabolites is the main bottleneck in metabolomics. This project aims at development a deep annotation method for non-targeted metabolomics based on bioinformatics and high resolution mass spectrometry and its application. First, computational-based (in silico) simulation will be used to generate a predicted in silico reference metabolite library through bioinformatics pathway and the experimental ultra high performance liquid chromatography- multi-stage mass spectrometry (UHPLC-MSn) database created by our team using 2000 authentic metabolite standards under standard operating procedure. In silico MS fragmentations will be predicted under fragmentation rules and experimental MS/MS. Quantitative structure-retention relationship (QSRR) model will be built to predict chromatographic retention time. The developed in silico UHPLC-high resolution mass spectrometry multi-stage mass spectrometry (HRMSn) will obviously enlarge the coverage of mass spectrometry spectral databases. Next, deep metabolome annotation method will be carried out. Data acquisition and deconvolution algorithms will be developed for generation of the information-rich fragments with high resolution and mass accuracy. Metabolites with similar fragmentation patterns correlate with strong chemical similarity. The experimental networks based on MS fragment similarity or metabolite-metabolite correlation will be constructed to obtain tentative structural information by the alignment of unknown to known. Non-targeted metabolomics will be annotated using the above method combined with the current database and the developed in silico UHPLC-HRMSn database. Finally, the established method will be applied to investigate the global metabolic changes in diabetes, especially metabolic variations in host-microbiota interaction pathway. Host-microbiota cometabolites closely related to pathological conditions will be discovered. The results will be benefit for the prevention and treatment of diseases.
本项目针对目前高分辨质谱非靶向代谢组学数据信息利用率低,未知代谢物注释困难的瓶颈问题,开展基于生物信息学和高分辨质谱技术的代谢组深度注释新方法及其应用研究。首先,在研究团队前期研发的2000种代谢物标样的实验UHPLC-MSn数据库基础上,结合现有知识库构建in silico UHPLC-HRMSn数据库,用于扩大代谢物的覆盖范围;其次,开展代谢组深度注释方法研究,拟发展高效获取高分辨/高质量精度的富含结构信息的数据采集方法,研究从中可靠提取母离子和子离子对应关系(MS1-MS2)及离子间演化关系(MSn)的数据解析方法,发展获取代谢物子结构信息或化学类别信息的方法,用于提高实验数据搜库的鉴定效率和成功率;最后,将所建立的新方法进行示范应用,开展肠道菌群-宿主共代谢物与糖尿病关系研究,寻找与病理条件密切相关的肠道菌群-宿主共代谢物,为疾病的预防和治疗奠定科学基础。

结项摘要

随着高分辨质谱技术的快速发展,对高分辨质谱数据的高效解析与利用显得尤为迫切。如何有效扩大质谱数据库的代谢物覆盖范围,以及高效获取和利用高分辨/高质量精度的质谱数据,实现非靶向代谢组学数据深度注释,特别是未知代谢物结构注释是当前亟待解决的关键科学问题。本项目针对基于高分辨质谱代谢组学数据利用率低,代谢物注释困难的难题,以生物样本为研究对象,开展基于生物信息学和高分辨质谱技术的代谢组深度注释新方法及其应用研究。包括:以超过千种代谢物的实验数据为基础,结合机器学习算法,构建了液相色谱保留时间预测模型,实现了代谢物的保留时间准确预测。以重要代谢物羟基肉桂酸酰胺以及糖苷类化合物为例,通过已知代谢反应理论预测可能存在的代谢物合集,进而发展了基于in silico UHPLC-MSn的重要代谢物深度注释方法,该方法充分利用途径信息/质谱特征碎裂模式,实现了代谢物高效注释,且有利于发现新代谢物。研发了基于修饰代谢组的规模化注释方法,实现了尿液代谢组的规模化注释。将所研发的新方法进行示范应用,开展了肠道菌群-宿主共代谢物以及糖尿病高风险人群预警研究。区别现有研究策略,本项目从in silico代谢物数据库构建、高分辨/高质量精度的富含结构信息质谱数据获取/利用两方面着手,极大提高了代谢组定性效率,从而实现了代谢组深度注释。本项目相关成果发表期刊论文7篇,申请中国发明专利7件(其中已授权3件),软件著作权1件,培养毕业博士研究生2人。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Systematic, Modifying Group-Assisted Strategy Expanding Coverage of Metabolite Annotation in Liquid Chromatography-Mass Spectrometry-Based Nontargeted Metabolomics Studies
系统性、修改组辅助策略扩大基于液相色谱-质谱法的非靶向代谢组学研究中代谢物注释的覆盖范围
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.1c01715
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    ANALYTICAL CHEMISTRY
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Zheng Sijia;Zhang Xiuqiong;Li Zaifang;Hoene Miriam;Fritsche Louise;Zheng Fujian;Li Qi;Fritsche Andreas;Peter Andreas;Lehmann Rainer;Zhao Xinjie;Xu Guowang
  • 通讯作者:
    Xu Guowang
Nontargeted screening of veterinary drugs and their metabolites in milk based on mass defect filtering using liquid chromatography-high-resolution mass spectrometry
基于液相色谱-高分辨质谱质量缺陷过滤的牛奶中兽药及其代谢物非靶向筛查
  • DOI:
    10.1002/elps.202100296
  • 发表时间:
    2021-12-23
  • 期刊:
    ELECTROPHORESIS
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Chen, Tiantian;Liang, Wenying;Xu, Guowang
  • 通讯作者:
    Xu, Guowang
Novel Method for Comprehensive Annotation of Plant Glycosides Based on Untargeted LC-HRMS/MS Metabolomics
基于非靶向LC-HRMS/MS代谢组学的植物苷综合注释新方法
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.2c02362
  • 发表时间:
    2022-11-23
  • 期刊:
    ANALYTICAL CHEMISTRY
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Zhang,Xiuqiong;Zheng,Fujian;Xu,Guowang
  • 通讯作者:
    Xu,Guowang
Identification and Validation of TRIM25 as a Glucose Metabolism Regulator in Prostate Cancer.
TRIM25 作为前列腺癌葡萄糖代谢调节剂的鉴定和验证
  • DOI:
    10.3390/ijms23169325
  • 发表时间:
    2022-08-19
  • 期刊:
    International journal of molecular sciences
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
  • 通讯作者:
基于高分辨质谱的代谢组学分析技术研究进展
  • DOI:
    10.7538/zpxb.2021.0117
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    质谱学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙晓珊;路鑫;许国旺
  • 通讯作者:
    许国旺

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  • 作者:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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