代謝組學(xué)綜述匯總

1、組學(xué)概論代謝組學(xué)綜述摘要： 代謝組學(xué)是20 世紀(jì) 90 年代中期發(fā)展起來的對某一生物或細(xì)胞所有低相對分子質(zhì)量代謝產(chǎn)物進行定性和定量分析的一門新學(xué)科,由于其廣泛的應(yīng)用前景,目前已成為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分?，F(xiàn)簡要介紹了代謝組學(xué)的含義、代謝組學(xué)研究的歷史沿革、當(dāng)前代謝組學(xué)研究中的分析技術(shù)、數(shù)據(jù)解析方法,綜述了代謝組學(xué)在藥物毒理學(xué)研究、疾病診斷、植物和中藥等領(lǐng)域的應(yīng)用情況,并對當(dāng)前代謝組學(xué)研究中存在的問題及發(fā)展趨勢進行探討。關(guān)鍵詞： 代謝組學(xué)研究技術(shù)隨著人類基因組計劃等重大科學(xué)項目的實施,基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)在研究人類生命科學(xué)的過程中發(fā)揮了重要的作用, 與此同時, 代謝組學(xué)( metab

2、olomics)在20世紀(jì)90年代中期產(chǎn)生并迅速地發(fā)展起來, 與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)共同組成系統(tǒng)生物學(xué)?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等各種組學(xué)0在生命科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用, 它們分別從調(diào)控生命過程的不同層面進行研究, 使人們能夠從分子水平研究生命現(xiàn)象, 探討生命的本質(zhì) , 逐步系統(tǒng)地認(rèn)識生命發(fā)展的規(guī)律。這些組學(xué)手段加上生物信息學(xué), 成為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。代謝組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展是必要的, 同時也是必須的。對于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)在生命科學(xué)研究中的缺點和不足, 代謝組學(xué)正好可以進行彌補。代謝組學(xué)研究的是生命個體對外源性物質(zhì)(藥物或毒物)的刺激、環(huán)境變化或遺傳修飾所

3、做出的所有代謝應(yīng)答, 并且檢測這種應(yīng)答的全貌及其動態(tài)變化。代謝組學(xué)方法為生命科學(xué)的發(fā)展提供了有力的現(xiàn)代化實驗技術(shù)手段, 同時也為新藥臨床前安全性評價與實踐提供了新的技術(shù)支持與保障。1 代謝組學(xué)的概念及發(fā)展代謝組學(xué)最初是由英國帝國理工大學(xué)Jeremy N icholson教授提出的, 他認(rèn)為代謝組學(xué)是將人體作為一個完整的系統(tǒng), 機體的生理病理過程作為一個動態(tài)的系統(tǒng)來研究, 并且將代謝組學(xué)定義為生物體對病理生理或基因修飾等刺激產(chǎn)生的代謝物質(zhì)動態(tài)應(yīng)答的定量測定。2000年 , 德國馬普所的Fiehn等提出了代謝組學(xué)的概念 , 但是與 N icholson提出的代謝組學(xué)不同, 他是將代謝組學(xué)定位為一個

4、靜態(tài)的過程, 也可以稱為/代謝物組學(xué), 即對限定條件下的特定生物樣品中所有代謝產(chǎn)物的定性定量分析。同時Fiehn還將代謝組學(xué)按照研究目的的不同分為4類 :代謝物靶標(biāo)分析, 代謝輪廓(譜 )分析 , 代謝組學(xué), 代謝指紋分析?，F(xiàn)在代謝組學(xué)在國內(nèi)外的研究都在迅速地發(fā)展, 科學(xué)家們對代謝組學(xué)這一概念也進行了完善, 作出了科學(xué)的定義: 代謝組學(xué)是對一個生物系統(tǒng)的細(xì)胞在給定時間和條件下所有小分子代謝物質(zhì)的定性定量分析, 從而定量描述生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其對內(nèi)因和外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué)。與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)相同, 代謝組學(xué)的主要研究思想是全局觀點。與傳統(tǒng)的代謝研究相比, 代謝組學(xué)融合了物

5、理學(xué)、生物學(xué)及分析化學(xué)等多學(xué)科知識, 利用現(xiàn)代化的先進的儀器聯(lián)用分析技術(shù)對機體在特定的條件下整個代謝產(chǎn)物譜的變化進行檢測, 并通過特殊的多元統(tǒng)計分析方法研究整體的生物學(xué)功能狀況。由于代謝組學(xué)的研究對象是人體或動物體的所有代謝產(chǎn)物, 而這些代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生都是由機體的內(nèi)源性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成的, 因此 , 代謝產(chǎn)物的變化也就揭示了內(nèi)源性物質(zhì)或是基因水平的變化, 這使研究對象從微觀的基因變?yōu)楹暧^的代謝物, 宏觀代謝表型的研究使得科學(xué)研究的對象范圍縮小而且更加直觀 , 易于理解 , 這點也是代謝組學(xué)研究的優(yōu)勢之一。代謝組學(xué)的優(yōu)勢主要包括: 對機體損傷小, 所得到的信息量大, 相對于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)檢

6、測更加容易。由于代謝組學(xué)發(fā)展的時間較短, 并且由于代謝組學(xué)的分析對象是無偏向性的樣品中所有的小分子物質(zhì), 因此對分析手段的要求比較高, 在數(shù)據(jù)處理和模式識別上也不成熟, 存在一些不足之處。同時生物體代謝物組變化快, 穩(wěn)定性較難控制, 當(dāng)機體的生理和藥理效應(yīng)超敏時, 受試物即使沒有相關(guān)毒性, 也可能引起明顯的代謝變化, 導(dǎo)致假陽性結(jié)果。代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為以下7個方面 :( 1)植物功能基因組研究, 主要以擬南芥為研究模型, 也包括一些轉(zhuǎn)基因作物的研究。( 2) 疾病診斷, 根據(jù)代謝物特征圖譜診斷腫瘤、糖尿病等疾病。( 3)制藥業(yè)即新藥臨床前安全性評價, 主要通過高通量比對預(yù)測藥物的毒性

7、和有效性, 通過全面分析來發(fā)現(xiàn)新的生物指示劑。( 4)微生物領(lǐng)域。( 5)毒理學(xué)研究, 包括利用代謝組學(xué)平臺研究環(huán)境毒理及藥物毒理。( 6)食品及營養(yǎng)學(xué), 即研究食品中進入體內(nèi)的營養(yǎng)成分及其與體內(nèi)代謝物的相互作用。( 7 )在中藥現(xiàn)代化及其機理上的研究。2 代謝組學(xué)的研究方法代謝組學(xué)的研究過程一般包括代謝組數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、多變量數(shù)據(jù)分析、 標(biāo)記物識別和途徑分析等步驟。首先 , 采集生物樣品(如尿液、 血液、 組織、細(xì)胞和培養(yǎng)液等), 對其進行生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理。 再運用先進的分析手段如核磁共振、質(zhì)譜或色譜等檢測樣品中所有代謝物的種類、含量、狀態(tài), 從而得到原始的大量的反映生物樣品信息

8、的實驗數(shù)據(jù), 而后使用多變量數(shù)據(jù)分析方法對獲得的多維復(fù)雜數(shù)據(jù)進行降維和信息挖掘, 從這些復(fù)雜大量的信息中篩選出最主要的最能反映代謝物變化的主要成分, 再通過模式識別將其與標(biāo)準(zhǔn)的代謝物譜進行比對, 或是根據(jù)代謝物譜在時程上的變化來尋找生物標(biāo)記物, 研究相關(guān)代謝物變化涉及的代謝途徑和變化規(guī)律, 以闡述生物體對相應(yīng)刺激的響應(yīng)機制。同時由于不同分析手段各有其特點, 在不同應(yīng)用領(lǐng)域使用的分析方法也是有所不同的。2.1 核磁共振技術(shù)核磁共振( nuclearmagnetic resonance, NMR )是有機結(jié)構(gòu)測定的四大譜學(xué)之一 , 作為一種分析物質(zhì)的手段, 由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品, 并具

9、有迅速、 準(zhǔn)確、 分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在代謝組學(xué)發(fā)展的早期,NMR 技術(shù)被廣泛應(yīng)用在毒性代謝組學(xué)的研究中。NMR 的優(yōu)勢在于能夠?qū)悠穼崿F(xiàn)無創(chuàng)性、無偏向的檢測, 具有良好的客觀性和重現(xiàn)性, 樣品不需要煩瑣處理,具有較高的通量和較低的單位樣品檢測成本。此外, 1H -NMR 對含氫化合物均有響應(yīng) , 能完成樣品中大多數(shù)化合物的檢測, 滿足代謝組學(xué)中的對盡可能多的化合物進行檢測的目標(biāo)。NMR雖然可對復(fù)雜樣品如尿液、血液等進行非破壞性分析, 與質(zhì)譜法相比,它的缺點是檢測靈敏度相對較低(采用現(xiàn)有成熟的超低溫探頭技術(shù), 其檢測靈敏度在納克級水平)、 動態(tài)范圍有限, 很難同時測定生物體

10、系中共存的濃度相差較大的代謝產(chǎn)物;同時, 購置儀器所需的投資也較大。為了改進NMR檢測靈敏度較低的缺點 , 可采用高分辨核磁共振技術(shù)或使用多維核磁共振技術(shù)和液相色譜- 核磁共振聯(lián)用(LC-NMR)。 魔角旋轉(zhuǎn)(magicangle spinning,MAS)核磁共振技術(shù)是20世紀(jì)90 年代初發(fā)展起來的一種新型的核磁共振技術(shù), 在代謝組學(xué)的研究中,魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振波譜技術(shù)已被成功地應(yīng)用到研究生物組織上, 因為生物組織在核磁共振實驗中會由于磁化率不均勻、分子運動受限等因素而引起譜線增寬。這些因素利用固體核磁共振中的MAS方法可以消除。例如大鼠肝臟、哺乳動物腎臟以及大鼠睪丸組織等。2.2 質(zhì)譜聯(lián)用技

11、術(shù)GC MS是代謝組學(xué)常用的方法，原先主要應(yīng)用于植物組學(xué)研究，隨著代工程和分析技術(shù)的快速發(fā)展，其在微生物代謝組學(xué)的應(yīng)用越來越引起關(guān)注。GC MS的分離效率高，易于使用且較為經(jīng)濟，特別是采用標(biāo)準(zhǔn)的電子轟擊(EI)模式后，其使用范圍和重復(fù)性都進一步提高。但是GC MS需要對揮發(fā)性較低的代謝物進行衍生化預(yù)處理，這一步驟會耗費額外的時間，甚至引起樣品的變化。受此限制，GC MS無法分析熱不穩(wěn)定性的物質(zhì)和分子量較大的代謝產(chǎn)物。近來，多維分離技術(shù)如二級氣相色譜飛行時間質(zhì)譜(GC GC TOF MS)， 檢測范圍更廣，但由于實際應(yīng)用困難和花費較高等問題使其并未普遍使用。第1篇關(guān)于微生物代謝組學(xué)的文獻報道了應(yīng)

12、用3種不同的GC MS技術(shù)，分析腸系膜明串珠菌發(fā)酵生產(chǎn)葡聚糖過程中脂肪酸、氨基酸和糖類以監(jiān)測微生物污染。LC MS無需進行樣品的衍生化處理，檢測范圍廣，可以作為GC MS的補充，非常適合于生物樣本中低揮發(fā)性或非揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性差的代謝物。LC與電噴霧(ESI)質(zhì)譜連用可以分析大部分極性代謝物，此外， 離子配對(IP)LC MS、親水相互作用液相色譜HILIC MS、反相LC MSI等可以進行不同種類代謝物的及時定量分析。Brerau等利用 HILIC MS獲得了大腸桿菌和釀酒酵母饑餓脅迫 應(yīng) 答 的 代 謝 指 紋 圖 譜 ， 測 出 68種 胞 內(nèi) 代 謝 物 的 濃 度 發(fā) 生 了 改 變

13、 。LC ESI MS MS分析被用于測量葡萄糖沖擊下的釀酒酵母的糖分解和三羧酸循環(huán)中間代謝產(chǎn)物。CE MS分離樣品效率比普通的色譜質(zhì)譜聯(lián)用要高得多，僅需要極少的進液量 (nL)，而且其測試時問短，試劑成本低。CE MS在微生物代謝組領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。Ohashi等 221 通過CE TOF MS對大腸桿菌的陰離子和陽離子代謝產(chǎn)物進行了全面分析和定量，鑒別出主要代謝物中的375個親水性中問體 ， 并 對 其 中 的 198個 代 謝 物 進 行 了 定 量 。 Harada等運 用 反 相 電 滲 流(EOF)CE MS高效分離了輔酶A、 有機酸、 核苷酸和磷酸糖。Soga等 用 C

14、E MS系統(tǒng)研究了枯草桿菌在芽孢發(fā)生過程中的代謝譜的變化過程，識別出1692種代謝物，并鑒別出其中的150種。3 代謝組學(xué)的研究流程代謝組學(xué)研究的技術(shù)平臺一般流程包括樣品制備、代謝產(chǎn)物的檢測和分析鑒定、數(shù)據(jù)分析與模型建立。下圖為代謝組學(xué)的流程圖1 樣品制備微生物代謝物樣品的制備一般分為微生物培養(yǎng)、淬滅和代謝產(chǎn)物的提取。根據(jù)研究對象、目的和采用的分析技術(shù)不同，所需的樣品提取和預(yù)處理方法各異，不存在一種普適性的標(biāo)準(zhǔn)化方法。在樣品淬滅和代謝物的提取過程中，應(yīng)遵循的原則是：(1)淬滅工藝最好可以立即凍結(jié)細(xì)胞代謝。(2)在淬滅過程中要求細(xì)胞膜無明顯損傷，以免胞內(nèi)代謝物外泄。(3)提取過程中應(yīng)該盡可能多的

15、提取胞內(nèi)代物。(4)代謝產(chǎn)物不應(yīng)該遇到任何物理或化學(xué)修飾。(5)得到的樣品基質(zhì)應(yīng)與所選擇的分析方法相容。冷甲醇和液氮是最常用的淬滅方法，而在提取方面由于特定的提取條件往往僅適合某些類化合物，目前尚無一種能夠適合所有代謝產(chǎn)物的提取方法。應(yīng)該根據(jù)不同的化合物選擇不同的提取方法，并對提取條件進行優(yōu)化。2 代謝產(chǎn)物的分析鑒定生命科學(xué)領(lǐng)域的巨大進步與先進分析技術(shù)密不可分，進行代謝組學(xué)研究首要解決的是分析方法上的理論和技術(shù)問題。傳統(tǒng)的酶法定量胞內(nèi)外代謝物只能分析一個樣品中的一個或幾個代謝物，且需要的樣品體積大。而胞內(nèi)代謝物濃度一般很低，在淬滅或提取過程中又會被稀釋，所得的樣品體積一般很少，這些都將嚴(yán)重影響

16、酶法定量的可靠性。代謝組學(xué)定量胞內(nèi)外代謝物的分析方法要求具有高靈敏度、高通量和無偏向性的特點。在分析復(fù)雜的胞內(nèi)外產(chǎn)物時，所選用的分析方法是十分重要的，一般根據(jù)樣品的特性和試驗?zāi)康?，選擇最合適的分析方法。目前最常用的分離分析手段是氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（GC MS）、液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（LC MS）、毛細(xì)管電泳與質(zhì)譜聯(lián)用（CE MS）以及核磁共振（NMR）。3 數(shù)據(jù)分析策略在代謝組學(xué)研究中，大多數(shù)是從檢測到的代謝產(chǎn)物信息中進行兩類（如基因突變前后的響應(yīng)）或多類（如不同表型問代謝產(chǎn)物）的判別分類以及生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)。 由于生物樣品的組成復(fù)雜，在得到分析對象的原始譜圖后，首先需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（歸一化

17、和濾噪），消除干擾因素，保留有用信息。數(shù)據(jù)的解析可分為如下 3 個基本步驟：（1）提取出色譜分離（如GC MS）后未能有效分開的代謝物峰并得出其相應(yīng)濃度；（ 2）根據(jù)其保留時間及質(zhì)譜圖等信息鑒別有效峰所代表的化合物；（3）根據(jù)代謝數(shù)據(jù)建立代謝網(wǎng)絡(luò)模型。4 展望代謝組學(xué)的出現(xiàn)在宏觀方面彌補了基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等微觀研究中的缺點 , 并且隨著分析手段和數(shù)據(jù)分析方面的不斷完善, 代謝組學(xué)得到的關(guān)于機體的所有信息都將得到全面的解讀, 通過這種大量信息的檢測, 篩查出與藥物或是臨床相關(guān)的生物標(biāo)記物將是代謝組學(xué)發(fā)展的重要領(lǐng)域。相信代謝組學(xué)將會與臨床、新藥開發(fā)等的聯(lián)系越來越緊密, 發(fā)揮其重要的作用。12參考文獻：1 許國旺，楊軍代謝組學(xué)及其研究進展J 色譜，2009， 24(4) ： 3163202 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J 分析化學(xué)，2009， 37(4) ： 1361434 徐旻， 林東海， 劉昌孝 代謝組學(xué)研究現(xiàn)狀與展望J 藥學(xué)學(xué)報，2005， 40(9) ： 7697746 盧紅梅， 梁逸曾 代謝組學(xué)分析技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技J 分析測試學(xué)報，2008， 27(3)：3253327 謝躍生，潘桂湘，高秀梅，劉昌孝高效液相色譜技術(shù)在代謝組學(xué)研究中的應(yīng)用