代谢组学及其分析技术王斯婷, 李晓娜, 王皎, 凌笑梅M etabonom ics and its analytical techniqueWAN G S i- ting, L I X iao- na, WAN G Jiao, L ING X iao- m e i综述***(北京大学药学院, 北 京 100191)摘要: 代谢组学是 20世纪 90年代中期发展起来的对某一生物或是细胞内所有低相对分子质量代谢产物进行动态检测以及定 性 定量研究的一门学科, 它主要应用在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域。

代谢组学对分析技术要 求较高, 近年来 随 着分析手段的不断完善, 代谢组学的研究得到了更加广泛的应用。

本文对近年来各种分析技术在代谢组学中 的应用, 不同分 析 技术各自的优缺点, 应用领域等进行了综述。

同时也总结了在代谢组学的实际应用中遇到的一些实验技术方面的问题。

关键词: 代谢组学; 核磁共振; 气质联用; 液 质联用中图分类号: R 917 文献标识码: A 文章编号: 0254- 1793( 2010) 09- 1792- 08***( Schoo l of Pharm aceu tical Sciences, P ek ing U n iversity, Be ijing 100191, Ch ina)Abstract: M etabonom ics is a new science and techno logy developed in m id 1990s. It refers to a ho listic and dynam ic analytical approach to all the low re la tive mo lecular m assm etabo lites in an organ ism or ce lls. Current status for ap p lications o fm etabonom ics research in tox ico logy, diagnosis, plants and traditiona lCh inese m edic ine. Because m eta bonom ics has high ly request for analytica l techno logy, w ith the develop ing of analytical technology, m etabonom ics has mo re w ide ly app lication. In th is paper, current analytica l techno logy for m etabonom ics and its app lication is re view ed. And experim enta l techno logy for m etabonom ics is summ arized. K ey w ords: m etabonom ics; NMR; GC - M S; LC- M S 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施, 基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命 科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组 学 ( m etabonom ics)在 20世纪 90年代中期产生并迅 速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学 共同组成 系统生物学 !。

基因组学、转录组学、蛋 白质组学和代谢组学等各种 组学 !在生命科学领 域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程 的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究 生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发 展的规律。

这些 组学 !手段加上生物信息学, 成为 系统生物学的重要组成部分。

代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。

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, 并且检 测这种应答的全 貌及其动态变 化。

代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代 化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价 与实践提供了新的技术支持与保障。

1 代谢组学的概念及发展代谢组学 m etabonom ics 最初是由英国帝国理工 大学 Jeremy N icho lson 教授提出的, 他认为代谢组学 是将人体作为一个完整的系统, 机体的生理病理过 程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定 义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代 须的。

对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究谢物质动态应答的定量测定[ 1]。

2000年, 德国马普*北京市自然基金项目 ( 7102107 ); 天然药物及仿生药物国家重点实验室开放基金项目 ( K20090207); 国家科技重大专项 重大新药创制 ! 课题 ( 2009ZX09301- 010) **通讯作者 Te:l ( 010) 82801590; E - ma i:l pku lxm@ 126. com所的 Fiehn 等提出了 m etabo lom ics 的概念, 但是与 通量和较低的单位样品检测成本。

此外, H - NM R [ 2]N i cho lson 提出的 m etab ono m i cs 不同, 他是将代谢组 学定位为一个静态的过 程, 也可以称为 代谢物组 学 !, 即对限定条 件下的特定生物样品中所有代谢 产物的定性定量分析。

同时 F iehn 还将代谢组学按 照研究目的的不同分为 4类: 代谢物靶标分析, 代谢 轮廓 (谱 )分析, 代谢组学, 代谢指纹分析。

现在代 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; ( 7 )在 中药现代化及其机理上的研究。

2 代谢组学的分析技术代谢组学的研究过程一般包括代谢组数据的采 集、数据预处理、多变量数据分析、标记物识别和途 谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们 径分析等步骤[ 3]。

首先, 采集生物样品 (如尿液、血对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的 定义: m etabonom ics/m etabo lom ics 是对一个生物系统 的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的 定性定量分析, 从而定量描述生物内源性代谢物质 的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。

与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同, 代谢 组学的主要研究思想是 全局观点 !。

与传统的代 谢研究相比, 代谢组学融合了物理学、生物学及分析 化学等多学科知识, 利用现代化的先进的仪器联用 分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的 变化进行检测, 并通过特殊的多元统计分析方法研 究整体的生物学功能状况。

由于代谢组学的研究对 象是人体或动物体的所有代谢产物, 而这些代谢产 物的产生都是由机体的内源性物质 发生反应生成 的, 因此, 代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或 是基因水平的变化, 这使研究对象从微观的基因变 为宏观的代谢物, 宏观代谢表型的研究使得科学研 究的对象范围缩小而且更加直观, 易于理解, 这点也 是代谢组学研究的优势之一。

代谢组学的优势主要包括: 对机体损伤小, 所得 到的信息量大, 相对于基因组学和蛋白质组学检测 更加容易。

由于代谢组学发展的时间较短, 并且由 于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的 小分子物质, 因此对分析手段的要求比较高, 在数据 处理和模式 识别上也不成熟, 存在一些 不足之处。

液、组织、细胞和培养液等 ), 对其进行生物 反应灭 活、预处理。

再运用先进的分析手段如核磁共振、质 谱或色谱等检测样品中所有代谢物的种类、含量、状 态, 从而得到原始的大量的反映生物样品信息的实 验数据, 而后使用多变量数据分析方法对获得的多 维复杂数据进行降维和信息挖掘, 从这些复杂大量 的信息中筛选出最主要的最能反映代谢物变化的主 要成分, 再通过模式识别将其与标准的代谢物谱进 行比对, 或是根据代谢物谱在时程上的变化来寻找 生物标记物, 研究相关代谢物变化涉及的代谢途径 和变化规律, 以阐述生物体对相应刺激的响应机制。

同时由于不同分析手段各有其特点, 在不同应用领 域使用的分析方法也是有所不同的。

2. 1 核磁共振技术核磁共振 ( nuclear m agnetic resonance, NMR )是 有机结构测定的四大谱学之一, 作为一种分析物质 的手段, 由于其可深入物质内部而不破坏样品, 并具 有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广 泛应用。

在代谢组学发展的早期, NMR 技术被广泛 应用在毒性代谢组学的研究中。

NMR 的优势在于 能够对样品实现无创性、无偏向的检测, 具有良好的 客观性和重现性, 样品不需要烦琐处理, 具有较高的 1对含氢化合物均有响应, 能完成样品中大多数化合 物的检测, 满足代谢组学中的对尽可能多的化合物 同时生物体代谢物组变化快, 稳定性较难控制, 当机 进行检测的目标[ 3]。

体的生理和药理效应超敏时, 受试物即使没有相关 毒性, 也 可 能引 起 明显 的 代谢 变化, 导致 假 阳性 结果。

代谢组学应用领域大致可 以分为以下 7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, 根据代谢物特征图谱诊断肿瘤、糖尿病等疾病; ( 3)制药业即新药临床前安全性评价, 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NMR 虽然可对复杂样品如尿液、血液等进行非 破坏性分析, 与质谱法相比, 它的缺点是检测灵敏度 相对较低 (采 用现有成熟的超低温探头技术, 其检 测灵敏度在纳克级水平 )、动态范围有限, 很难同时 测定生物体系中共存的浓度相差较大的代谢产物; 同时, 购置仪器所需的投资也较大。

为了改进 NM R 检测灵敏度较低的缺点, 可采用高分辨核磁共振技 术或使用多维核磁共振技术和液相色谱 - 核磁共振 联用 ( LC - NMR)。

魔角旋转 ( m ag ic angle sp inn ing, MAS)核磁共振技术是 20世纪 90 年代初发展起来都是经过 12000~ 16000 r# m in 的高速离心, 将尿 的一种新型的核磁共振技术, 在代谢组学的研究中, 魔角旋转核磁共振波谱技术已被成功地应用到研究 生物组织上, 因为生物组织在核磁共振实验中会由 于磁化率不均匀、分子运动受限等因素而引起谱线 增宽。