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Metabolite Annotation from Knowns to Unknowns through Knowledge-guided Multi-layer Metabolic Networking的研究論文。該工作發(fā)展出知識(shí)驅(qū)動(dòng)的多層代謝網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Knowledge-guided multi-layer networking，KGMN），在復(fù)雜生物樣本中實(shí)現(xiàn)了未知代謝物的大規(guī)模鑒定。

生命體代謝組包含內(nèi)源性產(chǎn)生的已知代謝物，以及微生物菌群、植物、食物和其他來(lái)源的未知代謝物。這些未知代謝物對(duì)生命活動(dòng)具有重要的調(diào)控作用。然而，如何大規(guī)模鑒定未知代謝物是當(dāng)前代謝組學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。前期研究中，朱正江課題組發(fā)展了基于代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的代謝組學(xué)技術(shù)MetDNA（Nature Communications, 2019,10: 1516）。該技術(shù)利用代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)物和底物存在結(jié)構(gòu)相似性與二級(jí)質(zhì)譜圖相似性的基本原理，設(shè)計(jì)了代謝物二級(jí)質(zhì)譜圖“譜圖借用”、“多次迭代”算法，利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)鑒定出的代謝物作為種子，依靠代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行代謝物注釋的迭代和傳遞，突破了標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)質(zhì)譜圖庫(kù)的覆蓋度限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的已知代謝物鑒定。然而，該技術(shù)仍存在一些局限：代謝物鑒定傳遞的過(guò)程僅限于已知代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，因而無(wú)法用于發(fā)現(xiàn)新的未知代謝物；復(fù)雜質(zhì)譜數(shù)據(jù)中的大量冗余信號(hào)（如同位素峰、加合物峰、中性丟失和源內(nèi)裂解等）會(huì)對(duì)代謝物的鑒定造成假陽(yáng)性。

針對(duì)以上問(wèn)題，在MetDNA2中，科研人員進(jìn)一步發(fā)展了知識(shí)驅(qū)動(dòng)的多層代謝網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（KGMN），實(shí)現(xiàn)了從已知代謝物鑒定未知代謝物的能力，并顯著提升了代謝物鑒定的準(zhǔn)確度。該技術(shù)首次整合了3層代謝網(wǎng)絡(luò)（圖1）——知識(shí)驅(qū)動(dòng)的代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)引導(dǎo)的二級(jí)質(zhì)譜圖相似性網(wǎng)絡(luò)、全局代謝峰相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)。研究利用理論代謝反應(yīng)對(duì)已知的代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，從而構(gòu)建了包含已知和未知代謝物的擴(kuò)展代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（KMRN，網(wǎng)絡(luò)1）。MetDNA2從標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)鑒定出的種子代謝物出發(fā)，基于擴(kuò)展代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和“譜圖借用”策略，構(gòu)建二級(jí)質(zhì)譜圖相似性網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)2）。該策略可通過(guò)多次迭代和循環(huán)擴(kuò)增的算法，將代謝組學(xué)質(zhì)譜數(shù)據(jù)中所有已知和未知代謝物連接，直至沒(méi)有新的注釋代謝物。在網(wǎng)絡(luò)2中，代謝物節(jié)點(diǎn)之間的連接有四個(gè)限制條件——MS1 m/z、保留時(shí)間、MS/MS譜圖相似性和代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化（metabolic biotransformation）。對(duì)于注釋的每一個(gè)代謝物，MetDNA2會(huì)進(jìn)一步通過(guò)靶向檢索其相關(guān)的冗余質(zhì)譜特征峰（如同位素峰、加合物峰、中性丟失和源內(nèi)裂解等），并構(gòu)建全局代謝峰相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)3）。利用全局代謝峰相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，MetDNA2對(duì)注釋的代謝物結(jié)果進(jìn)行全局優(yōu)化，提升代謝物鑒定的準(zhǔn)確度，去除假陽(yáng)性注釋結(jié)果返回最終鑒定結(jié)果。整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程全程自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)，提升了數(shù)據(jù)分析的效率。

利用上述技術(shù)，MetDNA2對(duì)已知代謝物的鑒定準(zhǔn)確性從~70%提升至>95%。同時(shí)，在不同的生物樣本中，MetDNA2還可鑒定~100-300個(gè)未知代謝物。MetDNA2對(duì)單個(gè)生物樣本鑒定的代謝物數(shù)目在2000-5000個(gè)左右。在MetDNA2中，每一個(gè)鑒定結(jié)果均根據(jù)國(guó)際代謝組學(xué)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)指定特定的可信度。此外，MetDNA2還包含一系列重要的更新和升級(jí)，如全面升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)代謝物譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)（>2000個(gè)代謝物）；兩種不同色譜體系的保留時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)（HILIC和C18體系）；適配所有廠商的高分辨二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)等。

為了相關(guān)研究便捷的應(yīng)用這一工具，課題組提供了用戶(hù)友好型的界面和網(wǎng)站MetDNA2（http://metdna.zhulab.cn/），學(xué)術(shù)用戶(hù)可免費(fèi)注冊(cè)使用。該工作開(kāi)發(fā)的KGMN技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和國(guó)家軟件著作權(quán)。相關(guān)技術(shù)和軟件的商業(yè)用途需要聯(lián)系朱正江進(jìn)行授權(quán)使用。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中科院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

知識(shí)驅(qū)動(dòng)的多層代謝網(wǎng)絡(luò)技術(shù)KGMN

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所

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