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hmdb-database

数据与分析

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更新于 10-15 11:42

技能介绍

用途

HMDB Database 技能用于访问人类代谢组数据库(Human Metabolome Database,HMDB),这是一个免费开放、内容详尽的资源库,收录人体内小分子代谢物的详细信息。该技能适用于代谢组学研究、临床化学、生物标志物发现以及代谢物鉴定等任务。

数据库内容

HMDB 当前版本为 v5.0(截至 2025 年),包含:

  • 220,945 条代谢物条目,覆盖水溶性和脂溶性化合物
  • 8,610 条参与代谢的酶和转运蛋白序列
  • 每条代谢物提供 130 多个数据字段,包括:
    • 化学性质(结构、分子式、分子量、InChI、SMILES)
    • 临床数据(生物标志物关联、疾病、正常/异常浓度)
    • 生物学信息(通路、反应、定位)
    • 波谱数据(NMR、MS、MS-MS 谱)
    • 外部数据库链接(KEGG、PubChem、MetaCyc、ChEBI、PDB、UniProt、GenBank)

主要能力

1. 基于网页的代谢物检索

可通过 https://www.hmdb.ca/ 的网页界面进行以下检索:

文本检索:

  • 按代谢物名称、同义词或标识符(HMDB ID)检索,例如 HMDB0000001、HMDB0001234
  • 按疾病关联或通路参与情况检索
  • 按生物样本类型(尿液、血清、脑脊液、唾液、粪便、汗液)查询

基于结构的检索:

  • 使用 ChemQuery 进行结构和子结构检索
  • 按分子量或分子量范围检索
  • 使用 SMILES 或 InChI 字符串查找化合物

波谱检索:

  • LC-MS 谱图匹配
  • GC-MS 谱图匹配
  • NMR 波谱检索,用于代谢物鉴定

高级检索:

  • 组合多个条件(名称、性质、浓度范围)
  • 按生物定位或样本类型筛选
  • 按蛋白/酶关联检索

2. 获取代谢物信息

检索代谢物数据时,HMDB 提供:

化学信息:

  • 系统名称、传统名称和同义词
  • 化学式和分子量
  • 结构表示(2D/3D、SMILES、InChI、MOL 文件)
  • 化学分类与归类

生物学背景:

  • 代谢通路与反应
  • 相关酶和转运蛋白
  • 亚细胞定位
  • 生物学角色与功能

临床相关性:

  • 生物体液中的正常浓度范围
  • 与疾病的生物标志物关联
  • 临床意义
  • 适用时的毒性信息

分析数据:

  • 实验和预测的 NMR 谱
  • MS 和 MS-MS 谱
  • 保留时间和色谱数据
  • 用于鉴定的参考峰

3. 可下载数据集

HMDB 在 https://www.hmdb.ca/downloads 提供多种格式的批量数据下载:

可用格式:

  • XML:完整的代谢物、蛋白和波谱数据
  • SDF:用于化学信息学的代谢物结构文件
  • FASTA:蛋白和基因序列
  • TXT:原始波谱峰列表
  • CSV/TSV:表格数据导出

数据集类别:

  • 全部代谢物或按样本类型筛选
  • 蛋白/酶序列
  • 实验和预测波谱(NMR、GC-MS、MS-MS)
  • 通路信息

最佳实践:

  • 下载 XML 格式以获取包含所有字段的完整数据
  • 使用 SDF 格式进行基于结构的分析和化学信息学工作流
  • 解析 CSV/TSV 格式以集成到数据分析流程
  • 检查版本日期以确保数据最新(当前:v5.0,2023-07-01)

使用要求:

  • 学术和非商业研究免费
  • 商业用途需获得明确许可(联系 samackay@ualberta.ca)
  • 使用数据时需引用 HMDB 出版物

4. 程序化 API 访问

API 可用性:HMDB 不提供公开 REST API。程序化访问需要联系开发团队:

  • 学术/研究团体:联系 eponine@ualberta.ca(Eponine)或 samackay@ualberta.ca(Scott)
  • 商业机构:联系 samackay@ualberta.ca(Scott)获取定制 API 访问

替代程序化访问方式:

  • R/Bioconductor:使用 hmdbQuery 包进行基于 R 的查询
    • 安装:BiocManager::install("hmdbQuery")
    • 提供基于 HTTP 的查询函数
  • 下载数据集:在本地解析 XML 或 CSV 文件以进行程序化分析
  • 网页抓取:不推荐;应联系团队获取正规 API 访问

5. 常见研究工作流

非靶向代谢组学中的代谢物鉴定:

  1. 从样本中获取实验 MS 或 NMR 谱
  2. 使用 HMDB 波谱检索工具与参考谱图匹配
  3. 通过检查分子量、保留时间和 MS-MS 碎裂验证候选物
  4. 审查生物学合理性(样本类型中是否预期出现、已知通路)

生物标志物发现:

  1. 在 HMDB 中检索与目标疾病相关的代谢物
  2. 审查正常与疾病状态下的浓度范围
  3. 识别具有强差异丰度的代谢物
  4. 检查通路背景和生物学机制
  5. 通过 PubMed 链接与文献交叉参考

通路分析:

  1. 从实验数据中识别感兴趣的代谢物
  2. 查找每个代谢物的 HMDB 条目
  3. 提取通路关联和酶促反应
  4. 使用关联的 SMPDB(小分子通路数据库)获取通路图
  5. 识别通路富集以进行生物学解释

数据库集成:

  1. 以 XML 或 CSV 格式下载 HMDB 数据
  2. 解析并提取相关字段用于本地数据库
  3. 链接外部 ID(KEGG、PubChem、ChEBI)以进行跨数据库查询
  4. 构建包含 HMDB 参考数据的本地工具或流程

相关 HMDB 资源

HMDB 生态包含相关数据库:

  • DrugBank:约 2,832 种药物化合物及药学信息
  • T3DB(毒素与毒素靶点数据库):约 3,670 种毒性化合物
  • SMPDB(小分子通路数据库):通路图与图谱
  • FooDB:约 70,000 种食品成分化合物

这些数据库共享相似的结构和标识符,支持在人类代谢组、药物、毒素和食品数据库之间进行集成查询。

最佳实践

数据质量:

  • 使用多种证据类型(波谱、结构、性质)验证代谢物鉴定
  • 检查实验数据与预测数据的质量指标
  • 审查生物标志物关联的引用和证据

版本追踪:

  • 在研究记录中注明使用的 HMDB 版本(当前:v5.0)
  • 数据库会定期更新新条目和修正
  • 发表时重新查询以获取最新信息

引用:

  • 使用该数据库时务必在出版物中引用 HMDB
  • 讨论代谢物时引用具体 HMDB ID
  • 对下载的数据集注明数据来源

性能:

  • 大规模分析时下载完整数据集,而非反复进行网页查询
  • 使用合适的文件格式(XML 用于完整数据,CSV 用于表格分析)
  • 考虑对频繁访问的代谢物信息进行本地缓存

参考文档

详细的数据字段及其含义参见 references/hmdb_data_fields.md。