メタボローム

メタボロームとは、生物学的サンプル中に存在するすべての低分子化学物質の総称です。 ^{[ 1 ]} 生物学的サンプルは、細胞、細胞小器官、臓器、組織、組織抽出物、生体液、または生物全体である可能性があります。特定のメタボロームに含まれる低分子化学物質には、生物によって自然に生成される内因性代謝物（アミノ酸、有機酸、核酸、脂肪酸、アミン、糖類、ビタミン、補因子、色素、抗生物質など）と、生物によって自然に生成されない外因性化学物質（医薬品、環境汚染物質、食品添加物、毒素、その他の異種物質など）の両方が含まれる可能性があります。^{[ 2 ] [ 3 ]}

つまり、内因性メタボロームと外因性メタボロームの両方が存在する。内因性メタボロームはさらに、「一次」メタボロームと「二次」メタボロームに細分化できる（特に植物や微生物のメタボロームについて言及する場合）。一次代謝物は、正常な成長、発達、生殖に直接関与する。二次代謝物はこれらのプロセスに直接関与しないが、通常は重要な生態学的機能を持つ。二次代謝物には、色素、抗生物質、または部分的に代謝された異物由来の老廃物などが含まれる。メタボロームの研究はメタボロミクスと呼ばれる。

メタボロームという言葉は、「代謝物」と「染色体」という言葉を組み合わせたものと思われる。これは、代謝物が遺伝子によって間接的にコード化されているか、遺伝子や遺伝子産物に作用することを暗示するために作られた。メタボロームという用語は1998年に初めて使用され^{[ 1 ] [ 4 ]}、おそらく、遺伝子の完全なセット（ゲノム）、タンパク質の完全なセット（プロテオーム）、転写産物の完全なセット（トランスクリプトーム）を指す既存の生物学的用語に合わせるために作られた。メタボロミクスに関する最初の本は2003年に出版された^{[ 5 ]} 。 メタボロミクスに特化した最初のジャーナル（単に「Metabolomics」というタイトル）は2005年に創刊され、現在はロイ・グッドエイカー教授が編集している。メタボローム分析に関する初期の重要な論文のいくつかは、以下の参考文献に記載されている。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

メタボロームは、生物のゲノムと環境との相互作用を反映しています。そのため、生物のメタボロームは、その表現型（つまり、遺伝子型と環境の産物）の優れたプローブとして機能します。代謝物は、 NMR分光法や質量分析法など、さまざまな技術を使用して測定（同定、定量、または分類）できます。[ ^{10 ]ほとんど} の質量分析法（MS）は、化合物の分離を容易にするために、さまざまな形態の液体クロマトグラフィー（LC）、ガスクロマトグラフィー（GC）、またはキャピラリー電気泳動（CE）と組み合わせる必要があります。各方法は通常、使用する機器またはプロトコルに応じて、一度に50～5,000種類の異なる代謝物または代謝物の「特徴」を同定または特徴付けることができます。現在、単一の分析方法で全範囲の代謝物を分析することは不可能です。

核磁気共鳴（NMR）分光法は、特定の原子核を含む分子を強い磁場に置いたときに、その原子核が放射する高周波放射線の吸収を測定する分析化学技術です。特定の原子または原子核が吸収する周波数（すなわち化学シフト）は、特定の分子におけるその原子の化学環境（結合、化学構造、近傍原子、溶媒）に大きく依存します。NMR吸収パターンは、異なる周波数または異なる化学シフトに「共鳴」ピークを生じさせます。このピークの集合をNMRスペクトルと呼びます。各化合物は異なる化学構造を持つため、各化合物は固有の（またはほぼ固有の）NMRスペクトルを持ちます。その結果、NMRは代謝物などの小分子の特性評価、同定、定量に特に有用です。NMRが「古典的な」代謝研究に広く用いられていること、そして複雑な代謝物混合物を扱う優れた能力を持つことが、NMRが日常的なメタボローム測定に広く採用された最初の技術の一つとなった理由であると考えられます。分析手法として、NMRは非破壊的、非バイアス、定量が容易で、分離がほとんどまたは全く不要であり、新規化合物の同定が可能で、化学誘導体化も不要です。NMRは、糖類、アミン類、揮発性液体などのLC-MS分析では扱いにくい化合物や、500 Daを超える高分子や比較的反応性の低い化合物などのGC-MS分析では扱いにくい化合物の検出に特に適しています。NMRは感度の高い手法ではなく、検出限界は約5 μMです。通常、NMRを用いたメタボロミクス研究では50～150種類の化合物を同定できます。

質量分析法は、分子の質量電荷比を測定する分析手法です。分子または分子断片は、通常、帯電した電場に噴霧する（エレクトロスプレーイオン化）、高温のフィラメントから電子を照射する（電子イオン化）、または特殊なコーティングを施したプレート上に置いた状態でレーザーを照射する（マトリックス支援レーザー脱離イオン化）ことによって帯電またはイオン化されます。帯電した分子は、電極または磁石を用いて空間内を移動させ、その速度、曲率、またはその他の物理的特性を測定して質量電荷比を決定します。これらのデータから、元の分子の質量を決定できます。ガス分子または電子との制御された衝突による分子のさらなる断片化は、分子の構造を決定するのに役立ちます。非常に正確な質量測定は、化合物の元素式または元素組成を決定するためにも使用できます。ほとんどの質量分析法では、液体クロマトグラフィーまたはガスクロマトグラフィーを用いた何らかの分離が必要です。この分離ステップは、得られる質量スペクトルを単純化し、より正確な化合物の同定を可能にするために必要です。質量分析法の中には、クロマトグラフィー分離に適するように分子を誘導体化または化学的に修飾する必要があるものもあります（これは特にGC-MSに当てはまります）。分析技術として、MSは非常に感度の高い方法で、非常に少量のサンプル（1  ng未満の物質または10 μL未満の生体液）で済み、1つのサンプルから数千の代謝物のシグナルを生成できます。MS装置は、非常にハイスループットなメタボローム分析（1日に数百から数千のサンプル）用に構成することもできます。代謝物の定量と新規化合物構造の特性評価は、NMRよりもMSの方が困難です。LC-MSは疎水性分子（脂質、脂肪酸）やペプチドの検出に特に適していますが、GC-MSは低分子（<500 Da）や高揮発性化合物（エステル、アミン、ケトン、アルカン、チオール）の検出に最適です。

ゲノムやプロテオームとは異なり、メタボロームは非常に動的な存在であり、わずか数秒から数分という短い時間間隔で劇的に変化する可能性がある。そのため、NMRやMSを用いたメタボロミクスの改良版を用いて、複数の時間間隔、あるいは短い時間間隔で代謝物を測定することへの関心が高まっている。

生物のメタボロームは主にゲノムによって決定されるため、種によってメタボロームは異なります。実際、トマトのメタボロームがリンゴのメタボロームと異なることが、この2つの果物の味が大きく異なる理由です。さらに、組織、臓器、そしてそれらの臓器や組織に関連する体液も、それぞれ大きく異なるメタボロームを持つことがあります。このように、生物種や組織・体液によってメタボロームが異なるという事実から、生物種特異的および体液特異的なメタボロームデータベースが数多く開発されてきました。よく知られているメタボロームデータベースには、ヒトメタボロームデータベース（HMDB）^{[ 11 ]} 、酵母メタボロームデータベース（YMDB）^{[ 12 ]} 、大腸菌メタボロームデータベース（ECMDB）^{[ 13 ]} 、シロイヌナズナメタボロームデータベース（AraCyc）^{[ 14 ]}、尿メタボロームデータベース[15]、脳脊髄液（CSF）メタボロームデータベース[16]、血清メタボロームデータベース[17]などが^あります。後者の³つの^{データベースは、}ヒトの生体液に特化しています。KEGG ^[ 18 ^]、MetaboLights ^{[ 19 ]} 、 Golmメタボロームデータベース^{[ 20 ]}、MetaCyc ^{[ 21 ]}、LipidMaps ^{[ 22 ] 、} Metlinなど^、非常に 人気のある一般的な代謝物データベースも多数存在し^ます。^{[ 23 ]} メタボロームデータベースは、代謝物データベースとは区別される。代謝物データベースには、複数の生物からの軽く注釈が付けられた、または概要的な代謝物データが含まれているのに対し、メタボロームデータベースには、特定の生物の化学、経路、スペクトル、および代謝物濃度に関する詳細かつ参照の多いデータが含まれている。

ヒトの腸内細菌叢は、その代謝産物を介して大腸がんの病因に寄与している。^{[ 29 ]} 特に、大腸における細菌代謝の結果として一次胆汁酸が二次胆汁酸に変換されることが発がんを促進する。^{[ 29 ]}

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• タンパク質電気泳動
• タンパク質配列決定