代谢组学概述

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1、代谢组学概述1代谢组学概况代谢组学是国际上近年来继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的新兴研究领域[1]。1999年英国帝国理工学院的Nicholson等在核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）分析的基础上提出代谢组学（metabonomics）的概念，即对生物系统因病理生理或基因改变等刺激所致动态多参数代谢应答的定量测定[2]。随着学科进一步的发展以及对代谢多层次多方面的深入研究，目前国内学者将代谢组学准确定义为：代谢组学是关于生物体内源性代谢物质的整体及其变化规律的科学[3]。相对于基因组学、转录组学和蛋白质组学来说，基

2、因、转录子、蛋白的存在是为某生物学事件或过程的发生奠定了物质基础，但这个事件或过程有可能不发生；而代谢物的存在则反映生命过程中已经发生的生物化学反应，其变化正是对该生物事件或过程的反映[4]。代谢组学是对其它三种组学的重要补充。正常状态下,机体中代谢物的组成处于一种动态平衡。当机体受到外界环境刺激或者自身生理因素的影响时，在细胞、组织，甚至整体水平会发生代谢的显著变化，导致最终代谢物种类和浓度的变化。代谢组学恰恰就是通过考察生物体系在受到外界刺激后对其体液（血液、尿液、淋巴液等）及组织代谢产物的组成变化或其随时间的变化，来研究生物体系代谢途径的一种技术[5]。它跳过

3、生命体内复杂调控过程，利用高通量、高灵敏度与高精确度的现代仪器分析技术，对机体代谢物的整体组成进行动态跟踪分析，发现与疾病相关的一组特征性生物标志物，从而帮助人们更好理解病变过程并实施疾病的诊断，因而近年来在疾病诊断[6,7]、药物开发[8]、药物毒性及安全性评价[9-11]等领域展示了广阔的应用前景，推动系统生物学研究的发展。2代谢组学的研究方法代谢组学的分析目标是对生物体系中尽可能多的内源性代谢组分进行无偏差的定性定量测定，整个分析过程应尽量保留生物样品中代谢物的整体信息[12]。完整的代谢组学流程包括样品采集、预处理、数据采集和数据分析及解释。2.1样品采集及

4、预处理代谢组学力求分析生物体系（如体液和细胞）中的所有代谢产物，整个分析过程应能尽可能保留和反映总的代谢产物的信息。由于实际研究对象不同，采用的样品采集、预处理技术也千差万别[13]。如采用NMR技术平台，对样品的预处理相对非常简单；而采用MS进行“全”成分分析技术时，样品的预处理虽简单，但却没有一种通用的标准化方法。代谢产物通常用水或有机溶剂（如甲醇、己烷等）分别提取，获得水提取物和有机溶剂提取物，以便进行数据采集分析[14]。2.2数据采集对于代谢组这样复杂的研究体系，理想的检测分析方法应该具备无偏向性、良好的分辨率和重现性、高灵敏度和系统性、样品制备的简易性和

5、高通量分析可操作性等[15]。现阶段的分析技术主要包括核磁共振波谱[16]、质谱[17]、色谱[18]等。目前以核磁共振波谱法（NMR）和质谱法以及液质联用的方法在各个领域中的应用最为广泛。2.2.1NMR技术迄今为止，在代谢组学研究中最常见的分析工具是NMR。特别是1H-NMR，能够实现对样品的非破坏性、非选择性分析，满足代谢组学中对尽可能多的化合物进行检测的目标。NMR样品只需要简单预处理，且样品还可回收用于其他分析；无损伤性，不会破坏样品的结构和性质；可在一定温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生理条件的实验；可与外界特定干预相结合，研究动态系统中机体化学交换、

6、运动等代谢产物的变化规律；可以进行实时和动态检测，没有偏向性。对所有化合物的灵敏度是一样的，因为它是一种非选择性的测定技术[19]。核磁共振技术在代谢组学中的应用越来越广泛，现在已应用于药物毒性[20-22]；疾病研究，如冠心病[23]、高血压病[24]、哮喘[25]、甲状腺功能亢进症[26]、肿瘤[27]、精神系统疾病[28]等、营养学[29-30]及微生物学[31]等。2.2.2质谱质谱具有较高灵敏度和专属性，可以实现对多个化合物的同时快速分析与鉴定。随着质谱及其联用技术的发展，越来越多的研究者将气-质联用（Gaschromatography-massspect

7、rometry，GC-MS）、液-质联用（Liquidchromatography-massspectrometry，LC-MS）等联用技术，是对代谢物逐一定性定量时不可缺少的手段，而且在进行相对分子质量测定及分子式推算时，质谱是无可取代的。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、大多数脂肪酸、糖、糖醇、芳胺和氨基酸，该分析技术是代谢组研究者常用的分析手段。另外，GC-MS最大优势是有大量可检索的质谱库。GC-MS在植物和微生物代谢指纹分析上应用较广[32]。而LC-MS的一个很大的优势是，在大多数情况下不需要对非挥发性代谢物进行化学衍