代謝組學(xué)概述

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1、代謝組學(xué)概述1代謝組學(xué)概況代謝組學(xué)是國際上近年來繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后迅速發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域[1]。1999年英國帝國理工學(xué)院的Nicholson等在核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）分析的基礎(chǔ)上提出代謝組學(xué)（metabonomics）的概念，即對生物系統(tǒng)因病理生理或基因改變等刺激所致動態(tài)多參數(shù)代謝應(yīng)答的定量測定[2]。隨著學(xué)科進(jìn)一步的發(fā)展以及對代謝多層次多方面的深入研究，目前國內(nèi)學(xué)者將代謝組學(xué)準(zhǔn)確定義為：代謝組學(xué)是關(guān)于生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律的科學(xué)[3]。相對于基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)來說，基

2、因、轉(zhuǎn)錄子、蛋白的存在是為某生物學(xué)事件或過程的發(fā)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，但這個事件或過程有可能不發(fā)生；而代謝物的存在則反映生命過程中已經(jīng)發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，其變化正是對該生物事件或過程的反映[4]。代謝組學(xué)是對其它三種組學(xué)的重要補(bǔ)充。正常狀態(tài)下,機(jī)體中代謝物的組成處于一種動態(tài)平衡。當(dāng)機(jī)體受到外界環(huán)境刺激或者自身生理因素的影響時，在細(xì)胞、組織，甚至整體水平會發(fā)生代謝的顯著變化，導(dǎo)致最終代謝物種類和濃度的變化。代謝組學(xué)恰恰就是通過考察生物體系在受到外界刺激后對其體液（血液、尿液、淋巴液等）及組織代謝產(chǎn)物的組成變化或其隨時間的變化，來研究生物體系代謝途徑的一種技術(shù)[5]。它跳過

3、生命體內(nèi)復(fù)雜調(diào)控過程，利用高通量、高靈敏度與高精確度的現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，對機(jī)體代謝物的整體組成進(jìn)行動態(tài)跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的一組特征性生物標(biāo)志物，從而幫助人們更好理解病變過程并實(shí)施疾病的診斷，因而近年來在疾病診斷[6,7]、藥物開發(fā)[8]、藥物毒性及安全性評價[9-11]等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景，推動系統(tǒng)生物學(xué)研究的發(fā)展。2代謝組學(xué)的研究方法代謝組學(xué)的分析目標(biāo)是對生物體系中盡可能多的內(nèi)源性代謝組分進(jìn)行無偏差的定性定量測定，整個分析過程應(yīng)盡量保留生物樣品中代謝物的整體信息[12]。完整的代謝組學(xué)流程包括樣品采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析及解釋。2.1樣品采集及

4、預(yù)處理代謝組學(xué)力求分析生物體系（如體液和細(xì)胞）中的所有代謝產(chǎn)物，整個分析過程應(yīng)能盡可能保留和反映總的代謝產(chǎn)物的信息。由于實(shí)際研究對象不同，采用的樣品采集、預(yù)處理技術(shù)也千差萬別[13]。如采用NMR技術(shù)平臺，對樣品的預(yù)處理相對非常簡單；而采用MS進(jìn)行“全”成分分析技術(shù)時，樣品的預(yù)處理雖簡單，但卻沒有一種通用的標(biāo)準(zhǔn)化方法。代謝產(chǎn)物通常用水或有機(jī)溶劑（如甲醇、己烷等）分別提取，獲得水提取物和有機(jī)溶劑提取物，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析[14]。2.2數(shù)據(jù)采集對于代謝組這樣復(fù)雜的研究體系，理想的檢測分析方法應(yīng)該具備無偏向性、良好的分辨率和重現(xiàn)性、高靈敏度和系統(tǒng)性、樣品制備的簡易性和

5、高通量分析可操作性等[15]?，F(xiàn)階段的分析技術(shù)主要包括核磁共振波譜[16]、質(zhì)譜[17]、色譜[18]等。目前以核磁共振波譜法（NMR）和質(zhì)譜法以及液質(zhì)聯(lián)用的方法在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。2.2.1NMR技術(shù)迄今為止，在代謝組學(xué)研究中最常見的分析工具是NMR。特別是1H-NMR，能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品的非破壞性、非選擇性分析，滿足代謝組學(xué)中對盡可能多的化合物進(jìn)行檢測的目標(biāo)。NMR樣品只需要簡單預(yù)處理，且樣品還可回收用于其他分析；無損傷性，不會破壞樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；可在一定溫度和緩沖范圍內(nèi)進(jìn)行生理?xiàng)l件或接近生理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)；可與外界特定干預(yù)相結(jié)合，研究動態(tài)系統(tǒng)中機(jī)體化學(xué)交換、

6、運(yùn)動等代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律；可以進(jìn)行實(shí)時和動態(tài)檢測，沒有偏向性。對所有化合物的靈敏度是一樣的，因?yàn)樗且环N非選擇性的測定技術(shù)[19]。核磁共振技術(shù)在代謝組學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)在已應(yīng)用于藥物毒性[20-22]；疾病研究，如冠心病[23]、高血壓病[24]、哮喘[25]、甲狀腺功能亢進(jìn)癥[26]、腫瘤[27]、精神系統(tǒng)疾病[28]等、營養(yǎng)學(xué)[29-30]及微生物學(xué)[31]等。2.2.2質(zhì)譜質(zhì)譜具有較高靈敏度和專屬性，可以實(shí)現(xiàn)對多個化合物的同時快速分析與鑒定。隨著質(zhì)譜及其聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者將氣-質(zhì)聯(lián)用（Gaschromatography-massspect

7、rometry，GC-MS）、液-質(zhì)聯(lián)用（Liquidchromatography-massspectrometry，LC-MS）等聯(lián)用技術(shù)，是對代謝物逐一定性定量時不可缺少的手段，而且在進(jìn)行相對分子質(zhì)量測定及分子式推算時，質(zhì)譜是無可取代的。采用GC-MS可以同時測定幾百個化學(xué)性質(zhì)不同的化合物，包括有機(jī)酸、大多數(shù)脂肪酸、糖、糖醇、芳胺和氨基酸，該分析技術(shù)是代謝組研究者常用的分析手段。另外，GC-MS最大優(yōu)勢是有大量可檢索的質(zhì)譜庫。GC-MS在植物和微生物代謝指紋分析上應(yīng)用較廣[32]。而LC-MS的一個很大的優(yōu)勢是，在大多數(shù)情況下不需要對非揮發(fā)性代謝物進(jìn)行化學(xué)衍