代謝組學(xué)綜述匯總

1、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(lái)的對(duì)某一生物或細(xì)胞所有低相對(duì)分子質(zhì)量代謝產(chǎn)物進(jìn)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(jiǎn)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(duì)當(dāng)前代謝組學(xué)研究中存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(jì)劃等重大科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)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(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，與此同時(shí)，代謝組學(xué)(metabolomics)在20世

2、紀(jì)90年代中期產(chǎn)生并迅速地發(fā)展起來(lái),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(guò)程的不同層面進(jìn)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(shí)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(shí)也是必須的。對(duì)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(diǎn)和不足，代謝組學(xué)正好可以進(jìn)行彌補(bǔ)。代謝組學(xué)研究的是生命個(gè)體對(duì)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做出的所有代謝應(yīng)答，并且檢測(cè)這種應(yīng)答的全貌

3、及其動(dòng)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(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，同時(shí)也為新藥臨床前安全性評(píng)價(jià)與實(shí)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(guó)帝國(guó)理工大學(xué)JeremyNicholson教授提出的，他認(rèn)為代謝組學(xué)是將人體作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，機(jī)體的生理病理過(guò)程作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)來(lái)研究，并且將代謝組學(xué)定義為生物體對(duì)病理生理或基因修飾等刺激產(chǎn)生的代謝物質(zhì)動(dòng)態(tài)應(yīng)答的定量測(cè)定。2000年，德國(guó)馬普所的Fiehnl?提出了代謝組學(xué)的概念，但是與Nicholson提出的代謝組學(xué)不同，他是將代謝組學(xué)定位為一個(gè)靜態(tài)的過(guò)程，也可以稱為/代謝物組學(xué)，即對(duì)限定條件下的特定生物樣品中所有

4、代謝產(chǎn)物的定性定量分析。同時(shí)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(guó)內(nèi)外的研究都在迅速地發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)代謝組學(xué)這一概念也進(jìn)行了完善，作出了科學(xué)的定義：代謝組學(xué)是對(duì)一個(gè)生物系統(tǒng)的細(xì)胞在給定時(shí)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(duì)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(diǎn)。與傳統(tǒng)的代謝研究相比，代謝組學(xué)融合了物理學(xué)、生物學(xué)及分析化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，利用現(xiàn)代化的先進(jìn)的儀器聯(lián)用分析技術(shù)對(duì)機(jī)體在特定的條件下整個(gè)代謝

5、產(chǎn)物譜的變化進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)特殊的多元統(tǒng)計(jì)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(duì)象是人體或動(dòng)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(jī)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(duì)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(duì)象范圍縮小而且更加直觀，易于理解，這點(diǎn)也是代謝組學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)之一。代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要包括：對(duì)機(jī)體損傷小，所得到的信息量大，相對(duì)于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)更加容易。由于代謝組學(xué)發(fā)展的時(shí)間較短，并且由于代謝組學(xué)的分析對(duì)象是無(wú)偏向性的樣品中所有的小分子物質(zhì)，因此對(duì)分析手段的要求比較高

6、，在數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別上也不成熟，存在一些不足之處。同時(shí)生物體代謝物組變化快，穩(wěn)定性較難控制，當(dāng)機(jī)體的生理和藥理效應(yīng)超敏時(shí)，受試物即使沒(méi)有相關(guān)毒性，也可能引起明顯的代謝變化，導(dǎo)致假陽(yáng)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(gè)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月中瘤、糖尿病等疾病。(3)制藥業(yè)即新藥臨床前安全性評(píng)價(jià)，主要通過(guò)高通量比對(duì)預(yù)測(cè)藥物的毒性和有效性，通過(guò)全面分析來(lái)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(tái)研究環(huán)境毒理及藥物毒理。(6)食品及營(yíng)養(yǎng)學(xué)，即研究食品中進(jìn)入體

7、內(nèi)的營(yíng)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(jī)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(guò)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(shí)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(duì)其進(jìn)行生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理。再運(yùn)用先進(jìn)的分析手段如核磁共振、質(zhì)譜或色譜等檢測(cè)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的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而后使用多變量數(shù)據(jù)分析方法對(duì)獲得的多維復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)模式識(shí)別將其與標(biāo)準(zhǔn)的代謝物譜進(jìn)行比對(duì)，或是根據(jù)

8、代謝物譜在時(shí)程上的變化來(lái)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(duì)相應(yīng)刺激的響應(yīng)機(jī)制。同時(shí)由于不同分析手段各有其特點(diǎn)，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(nuclearmagneticresonance,NMR)是有機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)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，并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)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(shì)在于能夠?qū)悠穼?shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)性、無(wú)偏向的檢測(cè)，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

9、的通量和較低的單位樣品檢測(cè)成本。此外，1H-NMR對(duì)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(cè)，滿足代謝組學(xué)中的對(duì)盡可能多的化合物進(jìn)行檢測(cè)的目標(biāo)。NMR雖然可對(duì)復(fù)雜樣品如尿液、血液等進(jìn)行非破壞性分析，與質(zhì)譜法相比，它的缺點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低(采用現(xiàn)有成熟的超低溫探頭技術(shù)，具檢測(cè)靈敏度在納克級(jí)水平卜動(dòng)態(tài)范圍有限，很難同時(shí)測(cè)定生物體系中共存的濃度相差較大的代謝產(chǎn)物；同時(shí)，購(gòu)置儀器所需的投資也較大。為了改進(jìn)NMR檢測(cè)靈敏度較低的缺點(diǎn)，可米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)（magicanglespinning,MAS）核磁共振技術(shù)是

10、20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來(lái)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?yàn)樯锝M織在核磁共振實(shí)驗(yàn)中會(huì)由于磁化率不均勻、分子運(yùn)動(dòng)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(dòng)物腎臟以及大鼠睪丸組織等。2.2 質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)GCMS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(lái)越引起關(guān)注。GC-MS的分離效率高，易于使用且較為經(jīng)濟(jì)，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(jìn)一步提高。但是GCMS需要對(duì)揮發(fā)性較低的

11、代謝物進(jìn)行衍生化預(yù)處理，這一步驟會(huì)耗費(fèi)額外的時(shí)間，甚至引起樣品的變化。受此限制，GCMS無(wú)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(lái),多維分離技術(shù)如二級(jí)氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜（GC-GC-TOF-MS）,檢測(cè)范圍更廣，但由于實(shí)際應(yīng)用困難和花費(fèi)較高等問(wèn)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(xiàn)報(bào)道了應(yīng)用3種不同的GCMS技術(shù)，分析腸系膜明用珠菌發(fā)酵生產(chǎn)葡聚糖過(guò)程中脂肪酸、氨基酸和糖類以監(jiān)測(cè)微生物污染。LCMS無(wú)需進(jìn)行樣品的衍生化處理，檢測(cè)范圍廣，可以作為GCMS的補(bǔ)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

12、，止匕外，離子配對(duì)（IP）LCMS、親水相互作用液相色譜HILICMS、反相LCMSI等可以進(jìn)行不同種類代謝物的及時(shí)定量分析。Brerau等利用HILICMS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(cè)出68種胞內(nèi)代謝物的濃度發(fā)生了改變。LC-ESI-MS-MS分析被用于測(cè)量葡萄糖沖擊下的釀酒酵母的糖分解和三竣酸循環(huán)中間代謝產(chǎn)物。CEMS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(jìn)液量（nL）,而且其測(cè)試時(shí)問(wèn)短，試劑成本低。CEMS在微生物代謝組領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。Ohashi221通過(guò)CETOFMS對(duì)大腸桿菌的陰離子和陽(yáng)離子代謝產(chǎn)物進(jìn)行了全面分析和定量，鑒別出主

13、要代謝物中的375個(gè)親水性中問(wèn)體，并對(duì)其中的198個(gè)代謝物進(jìn)行了定量。Harada等運(yùn)用反相電滲流（EOF）CEMS高效分離了輔酶A、有機(jī)酸、核甘酸和磷酸糖。Sogal?用CEMS系統(tǒng)研究了枯草桿菌在芽抱發(fā)生過(guò)程中的代謝譜的變化過(guò)程，識(shí)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(tái)一般流程包括樣品制備、代謝產(chǎn)物的檢測(cè)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(duì)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

14、和代謝物的提取過(guò)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(guò)程中要求細(xì)胞膜無(wú)明顯損傷，以免胞內(nèi)代謝物外泄。（3）提取過(guò)程中應(yīng)該盡可能多的提取胞內(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(wú)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(duì)提取條件進(jìn)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(jìn)步與先進(jìn)分析技術(shù)密不可分，進(jìn)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(wèn)題。傳統(tǒng)的酶法定量

15、胞內(nèi)外代謝物只能分析一個(gè)樣品中的一個(gè)或幾個(gè)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(guò)程中又會(huì)被稀釋，所得的樣品體積一般很少，這些都將嚴(yán)重影響酶法定量的可靠性。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(wú)偏向性的特點(diǎn)。在分析復(fù)雜的胞內(nèi)外產(chǎn)物時(shí)，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(yàn)?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（GCMS）、液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（LCMS）、毛細(xì)管電泳與質(zhì)譜聯(lián)用（CEMS）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(cè)到的代謝產(chǎn)物信息中進(jìn)行兩類（如基因突變前

16、后的響應(yīng)）或多類（如不同表型問(wèn)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(duì)象的原始譜圖后，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（歸一化和濾噪），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(gè)基本步驟：（1）提取出色譜分離（如GCMS）后未能有效分開(kāi)的代謝物峰并得出其相應(yīng)濃度；（2）根據(jù)其保留時(shí)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(bǔ)了基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等微觀研究中的缺點(diǎn)，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(jī)體的所有信息都將得到全面的解讀，通過(guò)這種大量信息的檢測(cè)，篩查出

17、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(huì)與臨床、新藥開(kāi)發(fā)等的聯(lián)系越來(lái)越緊密，發(fā)揮其重要的作用。參考文獻(xiàn)：1 許國(guó)旺，楊軍.代謝組學(xué)及其研究進(jìn)展J.色譜，2009,24(4):3163202 夏建飛，梁瓊麟，胡坪，王義明，羅國(guó)安.代謝組學(xué)研究策略與方法的新進(jìn)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(bào)，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(cè)試學(xué)報(bào)，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