表1. 四種全流程軟件對(duì)比。
軟件簡(jiǎn)介
MAVEN：MAVEN是基于現(xiàn)有開(kāi)源軟件建立的LC-MS數(shù)據(jù)分析軟件，可處理MRM（multiple reaction monitoring）和高分辨的全掃描數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計(jì)目的是開(kāi)發(fā)一款用于探索和驗(yàn)證代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的圖形用戶界面，降低代謝組學(xué)分析的復(fù)雜性。該軟件具有從特征值提取到代謝物通路分析及數(shù)據(jù)可視化的整個(gè)數(shù)據(jù)分析功能。同時(shí)為了便于數(shù)據(jù)驗(yàn)證，MAVEN 運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)自動(dòng)評(píng)估峰值質(zhì)量。
MZmine：MZmine是一款開(kāi)源軟件，主要處理LC-MS和GC-MS平臺(tái)數(shù)據(jù)，可用于非靶向和靶向代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析。軟件設(shè)計(jì)核心理念是將功能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊嚴(yán)格分開(kāi)，以提高軟件的易用性。其中數(shù)據(jù)處理模塊采用嵌入式可視化工具，實(shí)現(xiàn)立即預(yù)覽分析結(jié)果的功能。軟件新增功能：基于RANSAC算法對(duì)齊峰列表、在線數(shù)據(jù)庫(kù)鑒別峰、改進(jìn)的同位素模式識(shí)別以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。項(xiàng)目管理是該軟件新增的另一核心模塊，用戶可隨時(shí)追蹤并儲(chǔ)存臨時(shí)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
MetaboAnalyst：MetaboAnalyst是一款完全免費(fèi)的web平臺(tái)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件。軟件分為八個(gè)功能模塊，可歸納成三大類：（1）探索性數(shù)據(jù)分析，包括“統(tǒng)計(jì)分析”和“時(shí)間序列”模塊。（2）功能分析，分別是“富集分析”、“通路分析”和“整合通路分析”模塊。（3）高級(jí)分析方法，包含“生物標(biāo)志物分析”、“樣本量的估計(jì)”和“效能分析”模塊。此外，它還包含“其他實(shí)用程序”模塊，該模塊具有脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)分析的特殊功能和化合物ID 轉(zhuǎn)換工具。
XCMS Online：XCMS Online是一款基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，它繼承了XCMS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，如峰識(shí)別、峰對(duì)齊等，同時(shí)新增了單因素和多因素統(tǒng)計(jì)分析方法、代謝物特征注釋和代謝物鑒定，為非靶向代謝組學(xué)提供了完整的工作流程方案。另外它將XCMS的命令行界面改為用戶友好型的圖形用戶界面，降低了操作難度。
圖1. 軟件的主要功能界面。A,B,C,D分別為MAVEN, MZmine, MetaboAnalyst, XCMS Online。
主要功能對(duì)比
原始數(shù)據(jù)格式：MAVEN軟件要求原始數(shù)據(jù)以mzXML、mzData格式錄入。MZmine數(shù)據(jù)導(dǎo)入支持csv、mzTab、XML等格式，同時(shí)輸出格式有XML、SQL和 MetaboAnalyst。XCMS Online軟件可支持多種原始數(shù)據(jù)格式，包括netCDF、mzXML、mzData和Agilent.d文件，但數(shù)據(jù)加載的時(shí)間會(huì)因文件大小而不同，有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。而MetaboAnalyst數(shù)據(jù)輸入不同于前三類軟件，它要求的格式為csv、txt或zip包，數(shù)據(jù)類型為化合物濃度、NMR/MS 的箱式結(jié)構(gòu)或峰強(qiáng)度列表或LC/GC-MS圖譜，因而輸入的數(shù)據(jù)通常要求已完成去噪平滑和基線校正等譜圖預(yù)處理。
數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括峰識(shí)別、峰對(duì)齊、樣本標(biāo)準(zhǔn)化、零值填充和奇異樣本剔除。MetaboAnalyst和XCMS Online軟件主要是基于XCMS R包實(shí)現(xiàn)峰識(shí)別、峰對(duì)齊和峰匹配等數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。MetaboAnalyst峰識(shí)別采用高斯模型算法，峰對(duì)齊提供四種分析方法，即COW、DTW、基于化學(xué)遷移的峰對(duì)齊和根據(jù)質(zhì)量公差及保留時(shí)間公差的峰對(duì)齊，且這些方法能夠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。XCMS Online除進(jìn)行單一的峰識(shí)別峰對(duì)齊外，還將保留時(shí)間校正前后的結(jié)果以總特征離子色譜圖和RT校正曲線圖的形式展示出來(lái)，并從RT校正曲線中識(shí)別出極端值，并將其刪除。MAVEN軟件利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)峰質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)設(shè)定m/z范圍提取對(duì)應(yīng)的色譜圖，以此識(shí)別峰，然后進(jìn)行峰分組并得出峰質(zhì)量分?jǐn)?shù)。MZmine軟件的峰列表處理分為六大模塊：零值填充、同位素檢測(cè)、濾過(guò)、對(duì)齊、標(biāo)準(zhǔn)化和峰鑒定。其中峰列表對(duì)齊運(yùn)用RANSAC算法。
統(tǒng)計(jì)分析：MetaboAnalyst是所有綜合性分析工具中統(tǒng)計(jì)功能和方法最全面的軟件，包括常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法和高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，單因素分析包含t檢驗(yàn)、火山圖、單因素方差分析和相關(guān)分析；多因素分析有PCA、PLS-DA和OPLS-DA；高維特征值的提取方法有顯著性分析（Significance Analysis of Microarrays, SAM）和微陣列的經(jīng)驗(yàn)貝葉斯分析（Empirical Bayesian Analysis of Micoarrays, EBAM）算法；聚類分析有系統(tǒng)樹(shù)圖、熱圖、K均值和自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析；有監(jiān)督分析方法包括RF和SVM算法。同時(shí)還提供了時(shí)間序列分析，用來(lái)檢測(cè)代謝物濃度或代謝物判別模型隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。MZmine中的統(tǒng)計(jì)分析相對(duì)其數(shù)據(jù)預(yù)處理并不是開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容，僅提供基本統(tǒng)計(jì)方法，但同時(shí)支持使用第三方統(tǒng)計(jì)軟件提供的高級(jí)算法，包括交叉驗(yàn)證圖、聚類分析、曲線距離分析、Log ratio圖、熱圖、PCA以及Sammon’s投影法等。MAVEN軟件包中的數(shù)據(jù)分析主要是針對(duì)兩樣本間的比較，利用t檢驗(yàn)來(lái)估計(jì)兩樣本間的差異。XCMS Online提供的基本統(tǒng)計(jì)方法有配對(duì)t檢驗(yàn)和多組比較的方差分析，另外提供了其特有的多樣本間兩兩比較的meta分析方法。其中單因素分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以云圖輸出，多因素則以PCA得分圖輸出。
其他高級(jí)功能：MetaboAnalyst軟件是唯一提供功能分析（包括富集分析、通路分析和整合通路分析）和高級(jí)分析（包括生物標(biāo)志物分析、樣本量估計(jì)和效能分析）的軟件。功能分析中的代謝物富集分析目前只針對(duì)哺乳動(dòng)物，代謝通路分析模塊又分為代謝通路富集分析和路徑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。高級(jí)分析中，生物標(biāo)志物分析是基于PLS-DA、SVM及RF的基礎(chǔ)上使用ROC曲線進(jìn)行分析的；效能分析和樣本量的估計(jì)則基于 Bioconductor軟件包SSPA。該方法是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中檢測(cè)的全部統(tǒng)計(jì)量來(lái)估計(jì)效應(yīng)大小的分布、效能和最小樣本量。
物質(zhì)鑒定及通路分析數(shù)據(jù)庫(kù)：MAVEN提供通路可視化界面（圖 1A），其數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源于KEGG 和Metacyc。MZmine軟件為物質(zhì)鑒定提供多條途徑，包括自定義數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、在線數(shù)據(jù)庫(kù)搜索以及片段和加合物搜索等，同時(shí)支持在線連接多種通路分析的組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。物質(zhì)鑒定庫(kù)有HMDB、METLIN和PUBChen；通路分析數(shù)據(jù)庫(kù)支持KEGG；其他還包括chemspider、Lipid Maps、MassBank、Plantcyc和YMDB數(shù)據(jù)庫(kù)。MetaboAnalyst中物質(zhì)鑒定支持 HMDB 和 METLIN等庫(kù)，代謝物通路分析提供KEGG和SMPDB等庫(kù)。XCMS Online軟件同樣支持 HMDB和METLIN物質(zhì)鑒定庫(kù)以及BIOCYC和KEGG代謝通路庫(kù)。
小結(jié)
MAVEN軟件的顯著優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)峰質(zhì)量進(jìn)行良好的評(píng)估，能提供可信度較高的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在代謝途徑中的可視化繪圖。MZmine軟件除具有全面的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能外，同時(shí)支持用戶開(kāi)發(fā)新的算法，所以它既適合于無(wú)編程基礎(chǔ)的組學(xué)工作者也適合一些高級(jí)用戶。MetaboAnalyst的優(yōu)勢(shì)則在于它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、高級(jí)分析以及功能分析等功能，這對(duì)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的注釋和整合具有重要意義。XCMS Online軟件是經(jīng)典 XCMS 函數(shù)包的擴(kuò)展，使用簡(jiǎn)便，是一款良好的用戶友好型軟件，但不具有良好的擴(kuò)展性。
參考文獻(xiàn)：
梁丹丹, 李憶濤, 鄭曉皎,等. 代謝組學(xué)全功能軟件研究進(jìn)展[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版, 2018, 38(7).
更多內(nèi)容請(qǐng)閱讀原文獻(xiàn)