代谢组学及其发展

1、代谢组学及其发展摘要：代谢组学是上世纪九十年代中期发展起来的一门新兴学科，是系统 生物学的重要组成部分。它是关于生物体系内源代谢物质种类、数量及其变化规 律的科学，研究生物整体、系统或器官的内源性代谢物质及其所受内在或外在因 素的影响。关键词：代谢组学，研究方法，组学运用，中药学1代谢组学代谢组学(metabonomics/metabolomics)是效仿基因组学和蛋白质组学的研究 思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相 对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量 1000以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算

2、分 析方法是代谢组学研究的基本方法。2代谢组学的研究方法2.1研究范围代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物 (MWV1000)。在食品安全领域，利用代谢组学工具发现农兽药等在动植物体内 的相关生物标志物也是一个热点领。其样品主要是动植物的细胞和组织的提取 液。2. 2常用的分析技术主要技术手段是代谢组学以液相色谱一质谱(LC. MS)、气相色谱-质谱(GC. Ms)、核磁共振谱(NMR)等方法为主要研究手段1.2.3，其中以NMR为主。 通过检测一系列样品的NMR谱图，再结合模式识别方法，可以判断出生物体的 病理生理状态，并有可能找出与之相关的生物标志物(biomar

3、ker)。为相关预警 信号提供一个预知平台。据不同的研究对象和研究目的，Fiehn将生物体系的代谢产物分析分为4个层 次：(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， 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)代谢组学是在限定条件下对特定生物样品 中所有内源性代谢组分的定性和定量分析。

4、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。代谢组学的最终目标是解析所有的可见峰。(4)代谢指 纹分析不具体鉴定单一组分，而是通过比较代谢物指纹图谱的差异对样品进行快 速分类。2.3数据处理平台应用NMR或MS得到的代谢组学数据是海量的多变量数据信息，需要利用模 式识别(PR，pattern recognition)技术进行多元数据分析，将数据降维，然后对样 本分类或寻找生物标志物(biomarker)，用来解释代谢表型(metaboli

5、c phenotypes) 与基因变异或外界刺激(如疾病或药物)的关系。用的模式识别技术包括无监督 (unsupervised)方法和有监督(supervised)方法两类。无监督方法应用在此领域的方 法有：主成分分析(principal components analysis PCA)3 6 12 13非线性映射(nonlinear mapping,NLM)10 簇类分析(hierarchical cluster analysis,HCA)5有 监督学习方法应用于该领域的主要是基于PCA、偏最小二乘法(partial least squares,PLS)、神经网络(neural networ

6、k,NN)的改进方法，常用的有 SIMCA(soft independent modeling of class analogy)8 9 11和偏最小二乘法-显著性分析 (PLS-discriminant analysis,PLS-DA)4 7 11 13.研究技术手段：自连接质谱与核磁共振检测器的Bruker接口诞生后，MS与 NMR构成了在线组合系统，集合了3种检测技术的优势，能够提供综合的结构 化数据14|。该组合技术既发挥了各单项技术的优势又克服了各技术单独使用时 的缺陷。带有CryoFlowPmbes删流动进样探头的HPLCDADMSSPE NMR成为复杂生物样本中未知化合物结构鉴定

7、最为有效的手段之一15.数据处理方法整合运用：数据的整合可以通过多种途径在不同水平上实现， 需要特殊的统计方法和对多种模式识别方法的运用16。多谱学统计 (Statisticalheterospeetroscopy， SHY)是针对复杂样本的多种谱图数据建立的一种 新型统计方法17。3代谢组学的发展史3.1代谢组学(metabolomics)的出现是生命科学研究的必然。在20世纪90年代中 期发展起来的代谢组学，是对某一生物或细胞中相对分子量小于1,000的小分子代谢产物 进行定性和定量分析的一门新学科。代谢组作为系统生物学的重要组成部分，在临床医学 领域具有广泛的应用前景。代谢产物是基因表达

8、的最终产物，在代谢酶的作用下生成。虽然与基因或蛋白质相比， 代谢产物较小，但是不能形成代谢产物的细胞是死细胞，因此不能小看代谢产物的重要性。研究人员通过对机体代谢产物的深入研究，可以判断机体是否处于正常状态，而对基因 和蛋白质的研究都无法得出这样的结论。事实上，代谢组学研究已经能诊断出一些代谢类疾 病，如糖尿病、肥胖症，代谢综合症。目前，已经研究清楚的普通代谢途径包括三羧酸循环 (TCA)，糖酵解，花生四烯酸(AA)/炎症途径。3.2代谢组学的发展前景代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、蛋白质组学、转录组学后出现的新兴“组学”,自1999 年以来，每年发表的代谢组学研究的文章数量都在不断增加。从

9、表面上看，代谢组学的发展 很迅速，但是仍然远远落后于基因组学和蛋白质组学。“我们还在期待着重大发现”，Griffin 博士解释说，在Nature上发表的那些文章，让人们对代谢组学充满了期待：寻找一种新的 生物标记物，发现一条新的代谢途径，或更深入的了解目前已知的这些途径。尽管还没有经典论文出现，但是研究人员相信，与基因组学和蛋白质组学相比，代谢组 学将在临床上发挥更大的作用。许多公司通过市场研究发现，健康人并不希望进行基因型分 析，所以，对于这些人群来说，基因组学研究在临床上的应用很有限。而代谢组学与临床化 学较为相似，且相对于基因组学来说，提供的个人信息更少，故其在临床上的应用有可能产 生一

10、定的影响。较低的费用，是促使代谢组学在临床上易于接受的另一个原因。Griffin博士 指出，与其他“组学”研究相比，代谢组学的费用更低，研究人员可以通过代谢组学研究筛检 出代谢产物，然后采用更昂贵的基因组学和蛋白质组学的方法对有意义的代谢产物进一步加 以研究。首先，必须识别出代谢产物，这并不是简单的工作Siuzak博士认为，代谢组学研 究最大的挑战就在于对代谢产物的识别，这也是最有趣的方面，而更具挑战性的工作，是进 一步确认所有代谢物的功能。此外，质谱分析发现，代谢产物的同质性不高，由于缺乏均匀 性，使色谱分析变得更加困难，无法识别出样品中的未知物质。4代谢组学的运用4.1医疗，疾病方面的运用

11、代谢组学研究人员已经对此进行了研究。由于机体的病理变化，代谢产物也产生了某种 相应的变化。对这些由疾病引起的代谢产物的响应进行分析，即代谢组学分析，能够帮助人 们更好的理解病变过程及机体内物质的代谢途径，还有助于疾病的生物标记物的发现和辅助 临床诊断的目的。17 18 19 20 21 22.4.2在药物毒理学研究中的应用在药物的安全评价中，传统的药物毒理学将药物暴露与药物引起的各种损伤终 点直接联系起来进行研究，对于药物损伤的分子机制了解极其有限。代谢组学是 利用高通量检测技术在代谢物的整体水平上检测机体在药物暴露后的各种生理 生化指标，这些指标几乎涵盖毒理作用发生的所有的环节，再结合传统的

12、病理学 终点，可以对药物的毒性作用机制进行深入的了解。23 244.3药物开发29 30，植物代谢组25 26 27 28。4.4代谢组学在微生物领域的研究进展目前，代谢组学应用领域大致可以分为以下6个方面：（1）植物功能基因组研究，主 要以拟南芥为研究模型，也包括一些转基因作物的研究；（2）疾病诊断，根据代谢 物指纹图谱诊断肿瘤糖尿病等疾病；（3）制药业，主要通过高通量比对预测药物 的毒性和有效性，通过全面分析来发现新的生物指示剂；（4）微生物领域；（5）毒理 学研究，包括利用代谢组学平台研究环境毒理及药物毒理；（6）食品及营养学，即 研究食品中进入体内的营养成分及其与体内代谢物的相互作用3

13、5O以下着重 介绍在微生物领域的代谢组学研究及其最新进展。314.5营养研究方面的应用健康领域所面临的挑战已从传统的微生物感染、毒物暴露、营养缺乏扩展到 营养不平衡和代谢功能失调所引起的健康问题。随着代谢组学的不断发展和完 善，饮食与代谢谱、不同代谢谱与健康和疾病之间的关系将随代谢组学在营养研 究中的应用逐步确立。营养学家将能充分利用这种资源，评价个体的营养健康状 态及预言其健康发展趋势，通过饮食，药物干预和改变生活方式调节个体的代谢 模式，从而提高生活质量和预防慢性疾病的发生。324.6代谢组学在个体差异研究中的应用个体化诊疗的提出是基于人类存在个体差异现象这一事实。正是因为个体差 异的形成

14、是遗传和环境共同作用的结果，而代谢组学与其他组学相比更接近表 型，反映的是已经发生了的生物学事件，亦是基因型与环境共同作用的综合结果， 是生物体系生理和生化功能状态的直接体现。因此，代谢组学研究有助于找到个 体差异存在的客观依据和产生机制。335代谢组学在中药方面的运用与成就中医药是中华民族的瑰宝，其在人类健康事业中的重要地位不容置疑。但由 于传统中医药认识疾病的方法和理论不适合于现代科学表达体系，目前仍不能与 现代医学相兼容。而系统生物学尤其是代谢组学的诞生，使得中医药与现代医学 结合“桥梁”的轮廓逐渐清晰。目前，代谢组学已发展成为系统生物学研究领域 中最为活跃的分支学科之一，其在疑难疾病诊

15、断、新药研发、药物作用机制研究、 药物毒性及安全性评价等生命科学的多个领域展示了广阔的应用前景。譬如说与中药安全评价，与中药品种资源及质量控制，与中药复方药效机制， 与中药药代动力学等得研究。346结语代谢组学作为后基因时代的一门新兴学科，近年来的发展已经显示出该学科 的应用和发展前景。它与药物的药效、毒性筛选、评价研究、安全性评价、作用 机制研究和合理用药密切相关。从代谢组学的整体观念与中药作用的整体观念的 一致性的认识，它适于中药复杂体系的研究。对中草药进行科学的、综合的评价 研究，确保中药的合理、安全、有效，具有理论意义和实用价值。继续完善基础 技术平台、开展中药方剂配伍的科学性、中药安

16、全性和中药种质资源研究，是一 值得提倡的符合中药现代研究的新途径。参考文献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（林云径），WANG Jin（汪晋），WANG Yi（王毅），Qu Hai-Bin（瞿 海斌），CHENG Yi-Yu（程翼宇）.Chinese J.Anal. Chem.（分析化学），2009， 37（9）： 12571260

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