代谢组学

代谢组学研究技术与应用

曾令冬 (中央民族大学生命与环境科学学院)

1.代谢组学概述：

随着人类基因组测序工作的完成，人们对生命过程的理解有了很大的提高，研究的热点也转移到基因的功能和几个“组学”研究中，这几个“组学”包括研究核糖核酸(RNA)转录过程的转录组学、研究某个过程中所有蛋白及其功能的蛋白组学、研究代谢产物的变化及代谢途径的代谢组学[1]。

代谢组学(metabonomics)是以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标的系统生物学的一个分支，是继基因组学、转录组学、蛋白质组学后系统生物学的另一重要研究领域，它是研究生物体系受外部刺激所产生的所有代谢产物变化的科学，所关注的是代谢循环中分子量小于1000的小分子代谢物的变化，反映的是外界刺激或遗传修饰的细胞或组织的代谢应答变化[2]。根据研究的对象和目的的不同，Fiehn等，将代谢组学分为四个层次，即：①代谢物靶标分析：对某个或某几个特定组分的分析。在这个层次中，需要采取一定的预处理技术，除掉干扰物，以提高检测的灵敏度。②代谢轮廓（谱）分析：对少数所预设的一些代谢产物的定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物（如氨基酸、顺二醇类）、某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分。进行代谢轮廓（谱）分析时，可以充分利用这一类化合物的特有的化学性质，在样品的预处理和检测过程中，采用特定的技术来完成。③代谢组学：对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量。进行代谢组学研究时，样品的预处理和检测技术必须满足对所有的代谢组分具有高灵敏度、高选择性、高通量的要求，而且基体干扰要小。代谢组学涉及的数据量非常大，因此需要有能对其数据进行解析的化学计量学技术。④代谢指纹分析：不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类（如表型的快速鉴定）。[2]

2.代谢组学的研究技术：

I气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)

采用GC-MS可以同时测定几百个化学性质不同的化合物，包括有机酸、大多数氨基酸、糖、糖醇、芳胺和脂肪酸，该分析技术被专家称为最宝贵的分析手段。尤其是最近发展起来的二维GC(GC×GC)MS技术，由于其具有分辨率高、峰容量大、灵敏度高及分析时问

短等优势，而备受代谢组学研究者的青睐。另外，GC-MS最大的优势是有大量可检索的

质潜库。[6]

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Fiehn 研究小组的一系列有关植物代谢网络的研究比较有代表性，他们用GC-MS 方法对模板植物拟南芥的叶子提取物进行了研究，定量分析了326个化合物，并确定了其中部分化合物的结构[3]。

GC-MS 常被用于动植物和微生物的代谢指纹分析，它的优势在于能够提供较高的分辨率和检测灵敏度，并且有可供参考、比较的标准谱图库，可以方便地得到待分析代谢组分的定性结果。但是GC 不能直接得到体系中难挥发的大多数代谢组分的信息。[7]

II核磁共振(NMR)

Nicholson 等在长期研究生物体液的基础上提出的基于核磁共振(NMR)方法metabonomics，是定量研究有机体对由病理生理刺激或遗传变异引起的、与时间相关的多参数代谢应答，它主要利用核磁共振技术和模式识别方法对生物体液和组织进行系统测量和分析，对完整的生物体（而不是单个细胞）中随时间改变的代谢物进行动态跟踪检测、定量和分类，然后将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学事件关联起来，从而确定发生这些变化的靶器官和作用位点，进而确定相关的生物标志物 [4]。

NMR 方法具有无损伤性，不会破坏样品的结构和性质，可在接近生理条件下进行实验，可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件；可以进行实时和动态的检测；可设计多种编辑手段，实验方法灵活多样。NMR还有一个重要的特点，就是没有偏向性，对所有化合物的灵敏度是一样的。NMR 氢谱的谱峰与样品中各化合物的氢原子是一一对应的，所测样品中的每一个氢原子在图谱中都有其相关的谱峰，图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对含量。因此，NMR方法很适合研究代谢产物中的复杂成分[4]。实际上，NMR氢谱很早就被用于研究生物体液，从一维高分辨1H谱图可得到代谢物成分图谱，即代谢指纹图谱[5]。

III 液质联用(LC-MS)

LC 已经广泛地应用在生物样品的分析，但几乎是目标成分分析而不是结合化学计量学的整个样品的指纹谱分析。液相色谱技术强大的分离能力和高灵敏度使人们认识到它也可以用于生物体液指纹谱。但是色谱用于高通量的样品轮廓谱分析时，还有许多技术问题需要解决。Pham-Tuan 等针对这些问题，建立了应用HPLC 进行高通量轮廓谱分析的常规方法。[7]

LC-MS技术不受此限制，又经济实用，适用于那些热不稳定，不易挥发、不易衍生化和分子量较大的物质。质谱多通道监测的功能和色谱卓越的分离能力使LC-MS技术对检测样品的浓度和纯度要求与NMR技术相比明显降低，甚至对含量极低的物质也能通过优化质谱的扫描模式给出可视化响应。同时，LC-MS技术又有较好的选择性和较高的灵敏度，得到了越来越广泛的应用。[8]

3.代谢组学的应用

I 病理生理学研究中的应用

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生命是一个完整的系统，在复杂的生物体中，生物分子组织和调控水平是相互关联的、互相依赖的，并受各种各样的生理和环境因素的影响。生物体液中的代谢物与细胞和组织中的代谢物处于动态平衡，生物体中细胞功能异常一定会反映在生物体成分的变化中。这种变化有可能是出现新的代谢产物，而更多的情况是各种代谢产物之间的相对浓度发生细微而特征的变化。通过各种方法检测代谢物的化学成分，并使用各种化学计量学和生物信息学工具研究代谢物，就能够得到生物体的一些病理生理的资料，提供有价值的诊断和预测，指导临床的病理生理研究。[9]

Gavaghan等[12]研究了两种实验室常用的模型动物小鼠（C57BL10J 和Alpk：ApfCD）。这两种小鼠有着不同的表型，代谢组学研究发现，它们的代谢产物谱也是不同的，对得到的尿样的核磁共振氢谱进行化学计量学分析后，发现它们的三羧酸循环中间产物以及甲胺代谢过程的差异。

II在中医药领域的应用:

代谢组学与中医证均是对多因素进行整体分析。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物）的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答的全貌和动态变化过程，真实地反映人体内网络交叉的生理、生化调节和影响过程, 并非仅仅指某一代谢产物。而中医的证是致病因素作用机体后的综合表现，包括了病因、病性、病势、病位、病理等多个内容，与生物体对各种内、外因反应后产生的多项代谢物有相似性。[10]

李建新等[11]以生物核磁共振结合模式识别技术和主成分分析法探讨雷公藤甲素口服给药对大鼠尿液内源性代谢产物的影响，结果发现，大鼠尿液的代谢物谱与雷公藤甲素对肾脏造成损害作用密切相关。

4.展望：

目前，代谢组学正日益成为研究的热点，越来越多的人已加入到代谢组学的研究中。至今代谢组学技术可以从一个生物样品中检测出数百种相对分子质量低的化合物。这些化合物的相互作用可以和细胞的生物化学和生理学相联系。利用代谢组学作为技术手段的研究项目将会越来越多。代谢组学在药物开发、临床诊断、微生物和植物、营养科学中的重要性已越来越显现。随着研究的深入，代谢组学研究必将在揭示基因功能的功能基因组学研究中发挥更大的作用：它能帮助人们更好更深地了解生物体中各种复杂的相互作用、生物系统对环境和基因变化的响应，为人们提供一个了解基因表型的独特途径。代谢组学在未来的发展方向包括发展更为灵敏的、广谱的、通用的检测方法，鉴定各种谱峰对应的化合物结构，以及与其他虚拟模型的整合。这将更有助于阐释各种细胞功能的分子基础。[1,13,14]

参考文献：

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[2] 夏建飞，梁琼麟，胡坪，王义明，罗国安．代谢组学研究策略与方法的新进展[J]．分析

化学，2009，37(4)：136~143

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[3] Taylor J，King RD，Altmann T，et al．Application of metabolomics to plant genotype

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[4] 徐旻，林东海，刘昌孝．代谢组学研究现状与展望[J]．药学学报，2005，40(9)：769~774

[5] Bales JR，Higham DP，Howe I，et al．Use of high-resolution proton nuclear magnetic

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[6] 卢红梅，梁逸曾．代谢组学分析技术及数据处理技[J]．分析测试学报，2008，27(3) ：

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[7] 谢跃生，潘桂湘，高秀梅，刘昌孝．高效液相色谱技术在代谢组学研究中的应用[J]．分析

化学，2006，34(11) ：1644~1648

[8] 林艳萍，司端运，刘昌孝．液相色谱和质谱联用技术结合化学计量学应用于代谢组学的研

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[9] 颜贤忠，赵剑宇，彭双清，廖明阳．代谢组学在后基因组时代的作用[J]．波谱学杂志，

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[10] 张建平，朱明丹等．代谢组学在中医药领域的应用[J]．中医杂志，2011，52(6)：

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[11] 李建新，华嘉，何翠翠．中药毒性的代谢组学研究( I)：雷公藤甲素的肾脏毒性[ J] ．亚太

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[12] Gavaghan C L，Holmes E，Lenz E，et al．An NMR-based metabonomics approach to

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C57BL10J and Alpk：Apfcd mouse[J]．FEBS Lett，2000，484(10)：169~174

[13]周宏伟，谭凤仪等．代谢组学及其在微生物领域的研究进展[J]．分析化学，2007，35(2)：

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[14] 杨军，宋硕林等．代谢组学及其应用[J]．生物工程学报，2005，21(1)：1~5

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