金属组学的研究现状与发展趋势

金属组学的研究现状与发展趋势

金属组学是2002年以来逐渐发展起来的一门前沿交叉学科。正处于快速发展阶段。国际金属组学研究发展迅速，其理论基础和技术方法不断完善和成熟。其目标是系统研究生物体系内金属元素的含量、分布、化学种态、结构特征和功能等，也是研究生命体内自由或络合的全部金属元素的含量、分布、化学种态及其功能的综合学科。金属组学研究是认识金属(微量)元素生物功能效应、机制及其与微量元素相关疾病发生机制的基础，也是金属药物设计的依据。金属组学研究涉及分析化学、生物无机化学、化学生物学、医学、环境科学、纳米科学与技术等学科，是一个整合多学科交叉思路的研究领域矿物药是传统中医药重要组成部分，具有几千年的应用历史。这些通过长期实践得到源于自然的矿产资源药物，在中医药理论指导下，通过内服或外用，具有祛腐生肌、消肿解毒、收敛止血、平肝息风、安神补益、化痰止咳、收湿止痒、解毒杀虫、散瘀止痛、续筋接骨等多种药理作用，在临床用于治疗和预防多种疾患，涉及内、外、妇、儿、五官各科，临床疗效显著，为人类的健康做出了重要的贡献金属组学为矿物药研究提供了强有力的理论基础和技术支撑，为矿物药研究的深入开辟了新途径。本文介绍了金属组学的概念、学术发展概况、研究内容、研究方法等，同时探讨金属组学在矿物药研究中的应用领域及前景，以期为矿物药研究工作者提供参考。金属原子学研究学科的定义金属组学是继基因组学、蛋白质组学及代谢组学之后提出的一种新的组学方法。2001年WILLIAMSRJP在发表的综述论文“细胞对元素的化学选择”首次引入了“金属组”(metallome)概念，用以描述生物细胞和器官中的元素分布和对金属的选择“金属组学”是指对若干涉及金属相关生命过程或环境过程分子机制以及对细胞与组织内全部金属离子和金属配合物进行综合研究的学科，是系统研究一种细胞、组织、器官或完整生物体内自由或络合的全部金属原子含量、分布、化学种态及其功能的综合学科。金属组学包括定性金属组学(qualitativemetallomics)、定量金属组学(quantitativemetallomics)、比较金属组学(comparativemetallomics)等。细胞、组织或器官中金属蛋白、金属结合蛋白、金属酶或其他含有金属的生物分子(如氨基酸、DNA片断、四吡咯等大环鳌合剂、多糖和糖蛋白等)及游离金属离子的集合则称之为“金属组”,即金属组指一个生物体系中的所有含金属的生物分子。也就是说，金属组学中的金属元素，不仅包括与蛋白质和酶结合的生物金属，还包含金属-核酸、金属-小分子配体(有机酸、氮基酸等)、金属-多糖等、自由离子以及不同价态等所有存在形式。金属组研究特指对于细胞、组织或器官中所有的金属离子组分的研究，例如元素分布、自由金属离子的平衡浓度或者在某个细胞、组织或器官中的自由元素的组成。金属组学研究包括对金属组的研究以及金属组与基因组、转录组、蛋白组和代谢组的关系此外，由于金属组学的研究对象还包括非金属的微量元素，如硒(谷胱甘肽过氧化物酶的成分)、砷(有活化锌的作用)和碘(激活甲状腺)金属组学学术发展自提出金属组、金属组学表述后，2004,2007年英国皇家化学会刊物《JournalofAnalyticalandAtomicSpectrometry》分别发行了2期金属组学专刊在以中国科学院高能物理研究所柴之芳院士团队等为代表的科技工作者努力下，我国金属组学研究取得了一定成果，在国际也产生了积极的影响，金属组学研究平台也在国内不断得到重视并逐步完善，举办了一系列的学术会议，如2008年举办的首届金属组学及金属蛋白质组学研讨会，2015年9月承办的“第五届金属组学国际研讨会”(the5thinternationalsymposiumonmetallomics),2019年1月主办的金属组学研讨会，2020年1月主办的“2020北京金属组学平台启动会暨研讨会(BMF2020)”等，对进一步推动我国金属组学研究具有重要的意义。游离金属元素的生物分子金属组学主要是研究细胞、组织、器官中含有的金属元素生物分子和游离金属元素的价态、形态、浓度、时间和空间分布、生物功能或毒性作用以及与基因组、蛋白质组和代谢组之间的联系金属组反应机制①生物体液、细胞、器官中元素的分布分析；②生物体系中元素的形态分析；③金属组的结构分析；④应用模型络合物阐释金属组反应机制；⑤金属蛋白质和金属酶的鉴定；⑥生物分子和金属的代谢研究；⑦基于多元素分析的与微量元素相关健康和疾病医学诊断；⑧化学治疗中的无机(金属)药物的设计；⑨地球上生命体系的化学演变；⑩医学、环境科学、食品科学、农业、毒物学、生物地质化学中的其他金属辅助功能性生物科学金属离子的生物调控及代谢①金属蛋白质及其模拟物的结构-功能分析；②环境和生物体系中金属蛋白质的分析识别和生物痕量元素的化学分析；③金属离子的生物调控及代谢；④与痕量金属元素有关的疾病医学诊断以及金属药物(metallodrug)的医疗(前)应用金属离子的生物调控和代谢①金属蛋白质的结构-功能分析；②生物体系中金属蛋白质的分析识别和生物痕量元素的化学分析；③金属离子的生物调控及代谢；④与痕量金属元素有关的疾病的医学诊断以及金属药物的应用金属组学研究技术组学研究方法的最大特点是高通量分析，金属组学的研究方法需能够同时检测多种金属组，如金属元素的含量、分布、化学种态及其相互作用等。金属组学的研究技术涉及生物体外、体内的金属化学种态分析以及对生物体内金属的定位、定性和定量分析等。现代分析技术具有灵敏度高、准确度和精确度好以及本底效应低和非破坏性等特点，为金属组学研究提供了重要的硬件支撑，其中先进的核分析技术因其在元素分析方面的独特优势，如对样品前处理简单，原位无损分析等，越来越多地被应用于生命、环境过程中的金属归趋研究金属化合物研究中的应用我国对矿物药的认识与应用可追朔到远古时代，是世界上最早使用自然界的矿石作为药物进行防病治病的国家之一无机元素特征谱分析与植物药、动物药不同，矿物药主要是由无机化合物组成。矿物药材是在自然地质作用中形成，多数是一种或几种矿物的集合体或聚集体。原矿物药成分不纯净、不均一，甚至有较大变化。主要是因为：一方面即使是同时形成的嵌生矿物，但是由不同矿物成因而产生的同一味矿物药，之间也不尽相同。另一方面矿物在形成之后，经历不同的地质作用，原矿物成分、甚至嵌生的矿物成分变化也不同对矿物药所含无机元素(主要为金属元素)的测定是矿物药研究的最基础工作之一，也是对矿物药进行质量评价的必备工作。通过无机元素测定，可建立矿物药无机元素特征谱，作为鉴定药用矿物及控制市场药用矿物质量的方法之一。通过矿物药所含主元素含量、重金属及有害元素(含不同价态)的分析，可用于不同产地、不同矿物成因形成的同一矿物药优质矿产资源的筛选，确保临床用矿物药资源的安全有效及质量稳定可控关于矿物和药基因素的研究不同于植物药、动物药效应物质基础有明确的化学结构，矿物药中的金属元素及其赋存状态是其药性、毒性和临床效用的物质基础金属离子检测金属内部分分子的作用金属元素在生物体系的生理过程中具有十分重要的作用，这些金属元素在生物体系内的浓度需得到精确的控制，大部分金属元素是通过与各种蛋白结合而发挥生物效应金属元素与蛋白质之间的相互作用在很大程度上决定了许多蛋白质的功能以及金属药物的药效。金属离子结合到蛋白质分子的正确位置上依赖于一系列的调控过程，包括金属伴侣蛋白质的运输和协助。金属组学的一个重要目的是识别金属蛋白质(金属酶、金属输运蛋白质和金属应激蛋白质),特别是蛋白质的金属结合位点，证实生物体系中存在金属蛋白质以及金属/蛋白质结合比例此外，ZHAOT等矿物药中金属元素的结构、功能及代谢本文对金属组学的研究概况进行了总结，同时对其在矿物药研究中的应用前景进行了探讨，金属组学是研究矿物药的理想工具之一。矿物药中金属元素(含类金属元素)对疾病的干预作用及其效应靶点研究，阐明生物体系中与金属离子结合的生物分子的生理作用和功能，解释金属元素的生物学功能及其机制，需厘清研究金属元素在生物体内的吸收、转运、储存和金属蛋白的表达以及表达后的修饰、金属离子或金属簇的插入等细胞内的动态平衡过程。因而，首先需研究金属和类金属元素在环境系统、生物组织、细胞中的分布及其形态(价态),与基因组、蛋白质组和代谢组之间的关系，并且从分子层面出发对生物大分子配体，特别是金属蛋白、金属酶等进行结构、功能和代谢的分析，以揭示矿物药中金属元素干预相关疾病、参与生命活动的过程和机制深入开展矿物药研究涉及学科复杂、研究难度大，对中医药科研工作者来说面临着巨大的挑战。矿物药研究也一直是中国传统医药研究中的一个难点，尤其体现在其治病功效物质基础及