本文選題：代謝組學(xué)　切入點(diǎn)：機(jī)器學(xué)習(xí)　出處：《上海海洋大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：本文將代謝組學(xué)技術(shù)成功應(yīng)用于水產(chǎn)品物流儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)研究中。對(duì)于靶向代謝組學(xué),本文將其應(yīng)用于典型海洋貝類生物-扇貝的半無水活體保藏條件優(yōu)化中。而對(duì)于非靶向代謝組學(xué),本文將其應(yīng)用于經(jīng)過MS-222麻醉運(yùn)輸?shù)啮a魚復(fù)蘇時(shí)間不足的判別方法的建立上。本研究將代謝組學(xué)技術(shù)這種新穎的研究方法的應(yīng)用擴(kuò)展到了水產(chǎn)品物流儲(chǔ)運(yùn)這個(gè)傳統(tǒng)研究領(lǐng)域。使得代謝組學(xué)技術(shù)在應(yīng)用上有了新的思路,同時(shí)對(duì)水產(chǎn)品物流儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)研究中常被忽視的方面帶來了更加深入和細(xì)節(jié)的視角。本研究的主要內(nèi)容包括以下5個(gè)部分:1.典型貝類海洋生物活體貯藏過程生存能力和能量貯備物質(zhì)的研究目標(biāo):為了探究半無水活體儲(chǔ)藏過程中扇貝的存活能力,探明扇貝的半無水活體保藏在實(shí)際的商用條件下能夠在經(jīng)濟(jì)上可接受的保藏時(shí)間,為下一步的靶向代謝組學(xué)研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考。同時(shí)對(duì)于扇貝在半無水活體保藏的條件下其生理情況的變化,特別是呼吸作用和能量?jī)?chǔ)備方面,進(jìn)行了初步探索。方法:本研究對(duì)扇貝在5℃下半無水保藏進(jìn)行了一系列天數(shù)的實(shí)驗(yàn),直至其半數(shù)致死時(shí)間,對(duì)保藏過程中扇貝的存活曲線進(jìn)行了測(cè)定。對(duì)用于測(cè)定生存率的樣品,隨機(jī)抽取其中的部分個(gè)體,測(cè)定了數(shù)個(gè)生化指標(biāo),包括糖原水平,乳酸水平和蛋白質(zhì)水平結(jié)果:經(jīng)過每日的存活率檢測(cè),繪制了其存活曲線。其中10%致死時(shí)間作為商業(yè)可接受到保藏時(shí)間,經(jīng)測(cè)定為3天。而半數(shù)致死時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)終止的時(shí)間,經(jīng)測(cè)定為6天。保藏過程中,扇貝的糖原水平在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上相互之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異。每日檢測(cè)的扇貝乳酸水平,第一天的乳酸水平相對(duì)其實(shí)和第二天,其暫時(shí)性上升有著統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。每日的蛋白質(zhì)水平?jīng)]有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異。結(jié)論:扇貝在半無水儲(chǔ)藏條件下的生存能力優(yōu)秀。糖原水平的維持可能是因?yàn)樘窃惿饔米饔玫募訌?qiáng)。乳酸水平的暫時(shí)升高表明了扇貝在逆向環(huán)境應(yīng)激的初始時(shí)間點(diǎn)上,其無氧呼吸的代謝模式發(fā)生了從乳酸通路到琥珀酸通路的切換。然而常規(guī)的生化指標(biāo)檢測(cè)只能提供非常有限的信息,需要引入下一章節(jié)中的靶向代謝組學(xué)方法。2.基于靶向代謝組學(xué)分析典型貝類海洋生物活體貯藏過程代謝特性的研究目標(biāo):進(jìn)一步探究扇貝在半無水活體儲(chǔ)藏過程中代謝模式變化的具體細(xì)節(jié),對(duì)上一章中生化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的闡明。再者,利用靶向代謝組學(xué)方法對(duì)扇貝半無水活體儲(chǔ)藏過程中的生物標(biāo)記物進(jìn)行篩選,并基于此進(jìn)行代謝通分析,力圖闡明扇貝所受到的代謝通路擾動(dòng)是否和相關(guān)逆向環(huán)境存在關(guān)聯(lián)。方法:本研究對(duì)扇貝進(jìn)行了為期3天,既前一章中所得到的10%致死時(shí)間,的半無水活體保藏。將其與對(duì)照組進(jìn)行了基于氯甲酸甲酯衍生化的氣相色譜-質(zhì)譜分析。所得到的信息進(jìn)行了基于主成分分析和偏最小二乘判別分析的多元統(tǒng)計(jì)分析方法的模式識(shí)別。依照主成分分析結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾剔除離群樣本。利用偏最小二乘判別分析的變量重要性投射值和t檢驗(yàn)的p值對(duì)潛在的生物標(biāo)記物進(jìn)行篩選。最后依照生物標(biāo)記物進(jìn)行通路分析結(jié)果:經(jīng)過了主成分分析的數(shù)據(jù)過濾后,偏最小二乘判別分析模型被成功建立。經(jīng)過了特征變量的提取,與細(xì)胞呼吸相關(guān)的羧酸,包括蘋果酸,富馬酸和琥珀酸,C18:0,C16:0,和C22:6三種脂肪酸以及氨基酸包括苯丙氨酸,谷氨酸,天門冬氨酸,異亮氨酸,甘氨酸,焦谷氨酸,輔氨酸,亮氨酸和2-氨基己二酸,被篩選出來并被鑒定為生物標(biāo)記物。結(jié)論:扇貝在低溫離水呼吸逆向環(huán)境的應(yīng)激下,其無氧呼吸加強(qiáng),有氧呼吸受到抑制,而這并不是由缺氧所致。此結(jié)論意味著在扇貝的半無水活體儲(chǔ)藏的條件優(yōu)化中,氧氣補(bǔ)充是一項(xiàng)次要條件。另外,扇貝的能量代謝模式從乳酸作為終產(chǎn)物的通路切換為琥珀酸作為終產(chǎn)物的長(zhǎng)期模式也被觀測(cè)到。滲透條件系統(tǒng)紊亂,氧化損傷,低溫應(yīng)激和神經(jīng)系統(tǒng)收到擾動(dòng)也通過數(shù)個(gè)生物標(biāo)記物得以發(fā)現(xiàn)。3.典型水生脊椎動(dòng)物麻醉運(yùn)輸血液生理代謝特性的研究目標(biāo):檢驗(yàn)MS-222在麻醉運(yùn)輸后,并且其在清水中的復(fù)蘇時(shí)間未達(dá)到相關(guān)法規(guī)中記載的最短要求時(shí)間的情況下,其MS-222的殘留量,以探索通過直接檢測(cè)MS-222殘留來判別復(fù)蘇時(shí)間不足的可能性。通過血漿生化分析初步闡述在麻醉運(yùn)輸并且伴隨著復(fù)蘇過程以后,MS-222對(duì)鯽魚生理活動(dòng)的影響,并且探索通過血漿生化指標(biāo)來判別復(fù)蘇時(shí)間不足的可能性。方法:鯽魚被分為三組,分別進(jìn)行麻醉運(yùn)輸并且清水中復(fù)蘇6小時(shí),麻醉運(yùn)輸并且清水中復(fù)蘇5天以及不麻醉情況下運(yùn)輸?shù)脑囼?yàn)。血漿中MS-222含量的檢測(cè)由高效液相法進(jìn)行。復(fù)蘇后的鯽魚被采集血樣并且制備為血漿。血漿生化指標(biāo)包括肝功能相關(guān)的總蛋白,白蛋白,谷丙轉(zhuǎn)氨酶,天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和堿性磷酸酶,以及腎功能相關(guān)的血肌酐水平,由自動(dòng)生化分析儀進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果:所有的血漿樣品中MS-222的殘留量均低于檢測(cè)限。對(duì)血漿生化指標(biāo)經(jīng)過單因素方差分析后,結(jié)果為,麻醉運(yùn)輸并復(fù)蘇6小時(shí)的鯽魚相比不麻醉進(jìn)行運(yùn)輸?shù)慕M中總蛋白的含量有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著意義的降低;麻醉運(yùn)輸并復(fù)蘇6小時(shí)的鯽魚與其他兩組相比較,其血肌酐水平有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著的升高。其他數(shù)據(jù)之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著的差異。結(jié)論:MS-222在清水復(fù)蘇的環(huán)境下的清除時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于法規(guī)所要求的復(fù)蘇時(shí)間,MS-222殘留量無法用于復(fù)蘇時(shí)間不足的判別。肌酐含量的變化意味著MS-222會(huì)造成可逆的腎功能損害。4.基于非靶向代謝組學(xué)技術(shù)分析典型水生脊椎動(dòng)物麻醉生理代謝特性的研究目標(biāo):為了不依靠MS-222的殘留量來判別復(fù)蘇時(shí)間,基于代謝組學(xué)結(jié)合支持向量機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的判別模型。為了減輕支持向量機(jī)模型的固有缺陷,特征選擇步驟被用來降低計(jì)算負(fù)擔(dān),并且開發(fā)和實(shí)現(xiàn)了一種直觀呈現(xiàn)分類模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可視化算法。方法:基于硅烷化衍生化的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用,親水作用力高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和反相高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用被選用于化學(xué)分析。三者的數(shù)據(jù)在處理后合并以輸入至機(jī)器模型的訓(xùn)練中。隨機(jī)森林方法被用于特征選擇。交叉驗(yàn)證和測(cè)試集樣品被用于模型判別性能的驗(yàn)證。自組織投射被用戶模型的可視化。recursive feature elimination算法用于潛在生物標(biāo)記物的篩選,并根據(jù)篩選出的生物標(biāo)記物進(jìn)行通路分析。結(jié)果:從色-質(zhì)譜聯(lián)用數(shù)據(jù)中共挖掘出1971個(gè)特征變量,再經(jīng)過特征選擇后維度數(shù)量減少到135個(gè)。經(jīng)過grid search方法訓(xùn)練和優(yōu)化的非線性支持向量機(jī)模型其C和γ值分別為0.1574901和0.003100393,其中支持向量數(shù)量為37。15個(gè)測(cè)試樣品的分類準(zhǔn)確率達(dá)到100%。成功實(shí)現(xiàn)的可視化算法使支持向量機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠被直接觀察到。篩選并鑒定出了13個(gè)生物標(biāo)記物,基于這些化合物,進(jìn)行了通路分析。結(jié)論:非靶向代謝組學(xué)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)判別經(jīng)MS-222麻醉運(yùn)輸?shù)啮a魚復(fù)蘇時(shí)間不足的方法被成功建立。本方法準(zhǔn)確可靠,不依賴MS-222的殘留進(jìn)行。進(jìn)一步的通路分析顯示這種預(yù)測(cè)方法的生物學(xué)原理是在麻醉運(yùn)輸?shù)倪^程中,鰓的損傷造成了氣體交換障礙,從而導(dǎo)致了長(zhǎng)期的缺氧和高血碳酸癥狀。同行一些神經(jīng)系統(tǒng)的影響也被觀測(cè)到。5.典型水生脊椎動(dòng)物麻醉運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)組變化特性的研究目標(biāo):為了研究不同方式麻醉運(yùn)輸并且復(fù)蘇對(duì)鯽魚蛋白質(zhì)組的影響。進(jìn)一步確證代謝組學(xué)研究中所得結(jié)論為可靠性,非標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)被采用。方法:血漿樣品被進(jìn)行了組內(nèi)的等量混合后,進(jìn)行了蛋白質(zhì)提取,并使用超濾管酶解。酶解后的蛋白質(zhì)使用納升流速高效液相系統(tǒng)-質(zhì)譜聯(lián)用進(jìn)行肽段檢測(cè)。所得到的色-質(zhì)譜聯(lián)用數(shù)據(jù)通過Maxquant軟件進(jìn)行了非標(biāo)定量分析。結(jié)果:共鑒定到12251個(gè)肽段,以及1353個(gè)蛋白質(zhì)。其中鑒定到的肽段長(zhǎng)度要集中在7和11之間,其中長(zhǎng)度為10的肽段最多,平均長(zhǎng)度為10.9。經(jīng)過蛋白質(zhì)定量分析和1.8倍fold change閾值的篩選,其中麻醉運(yùn)輸后6小時(shí)復(fù)蘇時(shí)間的樣品相對(duì)5天復(fù)蘇時(shí)間和非麻醉運(yùn)輸?shù)慕M分別有22個(gè)29個(gè)差異蛋白,而后兩個(gè)組間的差異蛋白為31個(gè)。結(jié)論:經(jīng)過通路分析可得知,不同方式麻醉運(yùn)輸并且復(fù)蘇對(duì)鯽魚能量代謝相關(guān)的酶產(chǎn)生了影響。在差異蛋白質(zhì)中,檬酸合成酶和富馬酸水解酶的變化意味著高血碳酸癥狀,而丙酮酸羥基化酶的變化意味著缺氧應(yīng)激。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的結(jié)果與代謝組學(xué)的結(jié)果相符,代謝組學(xué)研究的結(jié)果得到了進(jìn)一步的確證。
[Abstract]:In order to study the survival ability of scallop in semi - dry living storage , the author has made a preliminary study on the survival ability and energy reserve of scallop during storage and transportation of aquatic products . In this paper , the effects of MS - 222 on physiological activities of carp were studied by direct detection of MS - 222 . The results show that the method is accurate and reliable and does not depend on the residual of MS - 222 . The results show that the method is accurate and reliable and does not depend on the residual of MS - 222 .

【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TS254.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 夏建飛;梁瓊麟;胡坪;王義明;羅國安;;代謝組學(xué)研究策略與方法的新進(jìn)展[J];分析化學(xué);2009年01期

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本文編號(hào)：1670848