1、代謝組學(xué)及其發(fā)展摘要：代謝組學(xué)是上世紀(jì)九十年代中期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是系統(tǒng) 生物學(xué)的重要組成部分。它是關(guān)于生物體系內(nèi)源代謝物質(zhì)種類、數(shù)量及其變化規(guī) 律的科學(xué)，研究生物整體、系統(tǒng)或器官的內(nèi)源性代謝物質(zhì)及其所受內(nèi)在或外在因 素的影響。關(guān)鍵詞：代謝組學(xué)，研究方法，組學(xué)運用，中藥學(xué)1代謝組學(xué)代謝組學(xué)(metabonomics/metabolomics)是效仿基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究 思想，對生物體內(nèi)所有代謝物進行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的相 對關(guān)系的研究方式，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分。其研究對象大都是相對分子質(zhì)量 1000以內(nèi)的小分子物質(zhì)。先進分析檢測技術(shù)結(jié)合模式識別和專家系統(tǒng)等計算

2、分 析方法是代謝組學(xué)研究的基本方法。2代謝組學(xué)的研究方法2.1研究范圍代謝組學(xué)主要研究的是作為各種代謝路徑的底物和產(chǎn)物的小分子代謝物 (MWV1000)。在食品安全領(lǐng)域，利用代謝組學(xué)工具發(fā)現(xiàn)農(nóng)獸藥等在動植物體內(nèi) 的相關(guān)生物標(biāo)志物也是一個熱點領(lǐng)。其樣品主要是動植物的細(xì)胞和組織的提取 液。2. 2常用的分析技術(shù)主要技術(shù)手段是代謝組學(xué)以液相色譜一質(zhì)譜(LC. MS)、氣相色譜-質(zhì)譜(GC. Ms)、核磁共振譜(NMR)等方法為主要研究手段1.2.3，其中以NMR為主。 通過檢測一系列樣品的NMR譜圖，再結(jié)合模式識別方法，可以判斷出生物體的 病理生理狀態(tài)，并有可能找出與之相關(guān)的生物標(biāo)志物(biomar

3、ker)。為相關(guān)預(yù)警 信號提供一個預(yù)知平臺。據(jù)不同的研究對象和研究目的，F(xiàn)iehn將生物體系的代謝產(chǎn)物分析分為4個層 次：(1)代謝物靶標(biāo)分析對某個或某幾個特定組分的分析。在這個層次中，需要 采取一定的預(yù)處理技術(shù)除掉干擾物，以提高檢測的靈敏度。(2)代謝輪廓(譜)分 析對少數(shù)所預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的定量分析。如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)的化合物， 某一代謝途徑的所有中間產(chǎn)物或多條代謝途徑的標(biāo)志性組分。進行代謝輪廓(譜) 分析時，可以充分利用這一類化合物的特有的化學(xué)性質(zhì)，在樣品的預(yù)處理和檢測 過程中，采用特定的技術(shù)來完成。(3)代謝組學(xué)是在限定條件下對特定生物樣品 中所有內(nèi)源性代謝組分的定性和定量分析。

4、進行代謝組學(xué)研究時，樣品的預(yù)處理 和檢測技術(shù)必須滿足對所有的代謝組分具有高靈敏度、高選擇性、高通量的要求， 而且基體干擾要小。代謝組學(xué)涉及的數(shù)據(jù)量非常大，因此需要有能對其數(shù)據(jù)進行 解析的化學(xué)計量學(xué)技術(shù)。代謝組學(xué)的最終目標(biāo)是解析所有的可見峰。(4)代謝指 紋分析不具體鑒定單一組分，而是通過比較代謝物指紋圖譜的差異對樣品進行快 速分類。2.3數(shù)據(jù)處理平臺應(yīng)用NMR或MS得到的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)是海量的多變量數(shù)據(jù)信息，需要利用模 式識別(PR，pattern recognition)技術(shù)進行多元數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)降維，然后對樣 本分類或?qū)ふ疑飿?biāo)志物(biomarker)，用來解釋代謝表型(metaboli

5、c phenotypes) 與基因變異或外界刺激(如疾病或藥物)的關(guān)系。用的模式識別技術(shù)包括無監(jiān)督 (unsupervised)方法和有監(jiān)督(supervised)方法兩類。無監(jiān)督方法應(yīng)用在此領(lǐng)域的方 法有：主成分分析(principal components analysis PCA)3 6 12 13非線性映射(nonlinear mapping,NLM)10 簇類分析(hierarchical cluster analysis,HCA)5有 監(jiān)督學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于該領(lǐng)域的主要是基于PCA、偏最小二乘法(partial least squares,PLS)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural networ

6、k,NN)的改進方法，常用的有 SIMCA(soft independent modeling of class analogy)8 9 11和偏最小二乘法-顯著性分析 (PLS-discriminant analysis,PLS-DA)4 7 11 13.研究技術(shù)手段：自連接質(zhì)譜與核磁共振檢測器的Bruker接口誕生后，MS與 NMR構(gòu)成了在線組合系統(tǒng)，集合了3種檢測技術(shù)的優(yōu)勢，能夠提供綜合的結(jié)構(gòu) 化數(shù)據(jù)14|。該組合技術(shù)既發(fā)揮了各單項技術(shù)的優(yōu)勢又克服了各技術(shù)單獨使用時 的缺陷。帶有CryoFlowPmbes刪流動進樣探頭的HPLCDADMSSPE NMR成為復(fù)雜生物樣本中未知化合物結(jié)構(gòu)鑒定

7、最為有效的手段之一15.數(shù)據(jù)處理方法整合運用：數(shù)據(jù)的整合可以通過多種途徑在不同水平上實現(xiàn)， 需要特殊的統(tǒng)計方法和對多種模式識別方法的運用16。多譜學(xué)統(tǒng)計 (Statisticalheterospeetroscopy， SHY)是針對復(fù)雜樣本的多種譜圖數(shù)據(jù)建立的一種 新型統(tǒng)計方法17。3代謝組學(xué)的發(fā)展史3.1代謝組學(xué)(metabolomics)的出現(xiàn)是生命科學(xué)研究的必然。在20世紀(jì)90年代中 期發(fā)展起來的代謝組學(xué)，是對某一生物或細(xì)胞中相對分子量小于1,000的小分子代謝產(chǎn)物 進行定性和定量分析的一門新學(xué)科。代謝組作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，在臨床醫(yī)學(xué) 領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。代謝產(chǎn)物是基因表達

8、的最終產(chǎn)物，在代謝酶的作用下生成。雖然與基因或蛋白質(zhì)相比， 代謝產(chǎn)物較小，但是不能形成代謝產(chǎn)物的細(xì)胞是死細(xì)胞，因此不能小看代謝產(chǎn)物的重要性。研究人員通過對機體代謝產(chǎn)物的深入研究，可以判斷機體是否處于正常狀態(tài)，而對基因 和蛋白質(zhì)的研究都無法得出這樣的結(jié)論。事實上，代謝組學(xué)研究已經(jīng)能診斷出一些代謝類疾 病，如糖尿病、肥胖癥，代謝綜合癥。目前，已經(jīng)研究清楚的普通代謝途徑包括三羧酸循環(huán) (TCA)，糖酵解，花生四烯酸(AA)/炎癥途徑。3.2代謝組學(xué)的發(fā)展前景代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)后出現(xiàn)的新興“組學(xué)”,自1999 年以來，每年發(fā)表的代謝組學(xué)研究的文章數(shù)量都在不斷增加。從

9、表面上看，代謝組學(xué)的發(fā)展 很迅速，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)。“我們還在期待著重大發(fā)現(xiàn)”，Griffin 博士解釋說，在Nature上發(fā)表的那些文章，讓人們對代謝組學(xué)充滿了期待：尋找一種新的 生物標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)一條新的代謝途徑，或更深入的了解目前已知的這些途徑。盡管還沒有經(jīng)典論文出現(xiàn)，但是研究人員相信，與基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組 學(xué)將在臨床上發(fā)揮更大的作用。許多公司通過市場研究發(fā)現(xiàn)，健康人并不希望進行基因型分 析，所以，對于這些人群來說，基因組學(xué)研究在臨床上的應(yīng)用很有限。而代謝組學(xué)與臨床化 學(xué)較為相似，且相對于基因組學(xué)來說，提供的個人信息更少，故其在臨床上的應(yīng)用有可能產(chǎn) 生一

10、定的影響。較低的費用，是促使代謝組學(xué)在臨床上易于接受的另一個原因。Griffin博士 指出，與其他“組學(xué)”研究相比，代謝組學(xué)的費用更低，研究人員可以通過代謝組學(xué)研究篩檢 出代謝產(chǎn)物，然后采用更昂貴的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的方法對有意義的代謝產(chǎn)物進一步加 以研究。首先，必須識別出代謝產(chǎn)物，這并不是簡單的工作Siuzak博士認(rèn)為，代謝組學(xué)研 究最大的挑戰(zhàn)就在于對代謝產(chǎn)物的識別，這也是最有趣的方面，而更具挑戰(zhàn)性的工作，是進 一步確認(rèn)所有代謝物的功能。此外，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，代謝產(chǎn)物的同質(zhì)性不高，由于缺乏均勻 性，使色譜分析變得更加困難，無法識別出樣品中的未知物質(zhì)。4代謝組學(xué)的運用4.1醫(yī)療，疾病方面的運用

11、代謝組學(xué)研究人員已經(jīng)對此進行了研究。由于機體的病理變化，代謝產(chǎn)物也產(chǎn)生了某種 相應(yīng)的變化。對這些由疾病引起的代謝產(chǎn)物的響應(yīng)進行分析，即代謝組學(xué)分析，能夠幫助人 們更好的理解病變過程及機體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑，還有助于疾病的生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)和輔助 臨床診斷的目的。17 18 19 20 21 22.4.2在藥物毒理學(xué)研究中的應(yīng)用在藥物的安全評價中，傳統(tǒng)的藥物毒理學(xué)將藥物暴露與藥物引起的各種損傷終 點直接聯(lián)系起來進行研究，對于藥物損傷的分子機制了解極其有限。代謝組學(xué)是 利用高通量檢測技術(shù)在代謝物的整體水平上檢測機體在藥物暴露后的各種生理 生化指標(biāo)，這些指標(biāo)幾乎涵蓋毒理作用發(fā)生的所有的環(huán)節(jié)，再結(jié)合傳統(tǒng)的

12、病理學(xué) 終點，可以對藥物的毒性作用機制進行深入的了解。23 244.3藥物開發(fā)29 30，植物代謝組25 26 27 28。4.4代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的研究進展目前，代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為以下6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 物指紋圖譜診斷腫瘤糖尿病等疾?。唬?）制藥業(yè)，主要通過高通量比對預(yù)測藥物 的毒性和有效性，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3

13、5O以下著重 介紹在微生物領(lǐng)域的代謝組學(xué)研究及其最新進展。314.5營養(yǎng)研究方面的應(yīng)用健康領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)已從傳統(tǒng)的微生物感染、毒物暴露、營養(yǎng)缺乏擴展到 營養(yǎng)不平衡和代謝功能失調(diào)所引起的健康問題。隨著代謝組學(xué)的不斷發(fā)展和完 善，飲食與代謝譜、不同代謝譜與健康和疾病之間的關(guān)系將隨代謝組學(xué)在營養(yǎng)研 究中的應(yīng)用逐步確立。營養(yǎng)學(xué)家將能充分利用這種資源，評價個體的營養(yǎng)健康狀 態(tài)及預(yù)言其健康發(fā)展趨勢，通過飲食，藥物干預(yù)和改變生活方式調(diào)節(jié)個體的代謝 模式，從而提高生活質(zhì)量和預(yù)防慢性疾病的發(fā)生。324.6代謝組學(xué)在個體差異研究中的應(yīng)用個體化診療的提出是基于人類存在個體差異現(xiàn)象這一事實。正是因為個體差 異的形成

14、是遺傳和環(huán)境共同作用的結(jié)果，而代謝組學(xué)與其他組學(xué)相比更接近表 型，反映的是已經(jīng)發(fā)生了的生物學(xué)事件，亦是基因型與環(huán)境共同作用的綜合結(jié)果， 是生物體系生理和生化功能狀態(tài)的直接體現(xiàn)。因此，代謝組學(xué)研究有助于找到個 體差異存在的客觀依據(jù)和產(chǎn)生機制。335代謝組學(xué)在中藥方面的運用與成就中醫(yī)藥是中華民族的瑰寶，其在人類健康事業(yè)中的重要地位不容置疑。但由 于傳統(tǒng)中醫(yī)藥認(rèn)識疾病的方法和理論不適合于現(xiàn)代科學(xué)表達體系，目前仍不能與 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相兼容。而系統(tǒng)生物學(xué)尤其是代謝組學(xué)的誕生，使得中醫(yī)藥與現(xiàn)代醫(yī)學(xué) 結(jié)合“橋梁”的輪廓逐漸清晰。目前，代謝組學(xué)已發(fā)展成為系統(tǒng)生物學(xué)研究領(lǐng)域 中最為活躍的分支學(xué)科之一，其在疑難疾病診

15、斷、新藥研發(fā)、藥物作用機制研究、 藥物毒性及安全性評價等生命科學(xué)的多個領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。譬如說與中藥安全評價，與中藥品種資源及質(zhì)量控制，與中藥復(fù)方藥效機制， 與中藥藥代動力學(xué)等得研究。346結(jié)語代謝組學(xué)作為后基因時代的一門新興學(xué)科，近年來的發(fā)展已經(jīng)顯示出該學(xué)科 的應(yīng)用和發(fā)展前景。它與藥物的藥效、毒性篩選、評價研究、安全性評價、作用 機制研究和合理用藥密切相關(guān)。從代謝組學(xué)的整體觀念與中藥作用的整體觀念的 一致性的認(rèn)識，它適于中藥復(fù)雜體系的研究。對中草藥進行科學(xué)的、綜合的評價 研究，確保中藥的合理、安全、有效，具有理論意義和實用價值。繼續(xù)完善基礎(chǔ) 技術(shù)平臺、開展中藥方劑配伍的科學(xué)性、中藥安

16、全性和中藥種質(zhì)資源研究，是一 值得提倡的符合中藥現(xiàn)代研究的新途徑。參考文獻Gerszten R E。Wang T J. Nature，2008，451（2）： 949952Pham-Tuan H， Kaskavelis L， Daykin C A， Janssen H G. J.Chromatogr. B， 2003，789（2）： 283301LIN Yun-Jing（林云徑），WANG Jin（汪晉），WANG Yi（王毅），Qu Hai-Bin（瞿 海斌），CHENG Yi-Yu（程翼宇）.Chinese J.Anal. Chem.（分析化學(xué)），2009， 37（9）： 12571260

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