代谢组学技术及在毒理学研究中的应用.doc

代谢组学技术及在毒理学研究中的应用 摘要：代谢组学是定性和定量分析某一生物或细胞所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学，是系统生物学的重要组成部分。作为系统生物学重要组成部分的“代谢组学”，通过考察机体受毒物刺激后体液或组织中代谢物的整体动态变化轨迹，结合模式识别的多元分析方法，快速筛选毒性相关的分子标志物，进而更系统、更全面的揭示毒物作用于机体的典型特征，为相关毒性作用模型建立、环境或药物中毒性化学物的快速高通量筛选以及相关疾病的预防与治疗提供重要的科学依据。本文将从代谢组学的概况、代谢组学在毒理学中的应用进行综述。 关键词：代谢组学；毒理学；应用 “代谢组学”(metabonomics)是指对机体因环境因素刺激、病理生理扰动或遗传修饰等引起的多种代谢指标动态变化的系统性定量检测新方法，该技术广泛用于植物学、药理学、毒理学、遗传学等学科领域。“代谢组学”最早是在1999年由英国的Jeremy Nicholson提出的，是在利用核磁共振技术检测生物体液组成成分的基础上结合模式识别的分析方法发展而来，主要是通过考察生物体系受环境刺激或病理生理扰动后的代谢产物动态变化，分析代谢产物整体的变化轨迹，以此阐述某种病理(生理)过程中所发生的一系列生物学事件及机制。 毒理学是研究毒物与机体交互作用的一门学科，一方面探讨毒物对机体各种组织细胞、分子、特别是生物大分子作用及损害的机制，阐明毒物分子结构与其毒作用之间的关系；另一方面，也研究毒物的体内过程（吸收、分布、代谢转化、排泄）及机体防御体系对毒物作用的影响。“代谢组学”一经提出，其崭新的研究思路和无损伤的整体研究方法在包括药物开发、毒性评价及预测、营养和食物安全性评价等在内的众多领域得到日益广泛的重视和应用。 1. 代谢组学的概况 1.1代谢组学的定义及发展[1] 代谢组学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。代谢组学的概念最早来源于代谢轮廓分析。Nicholson研究小组于1999年提出了代谢组学的概念，并在疾病诊断、药物筛选等方面做了大量的卓有成效的工作。Fiehn等提出了metabolomics的概念，第一次把代谢产物和生物基因的功能联系起来，之后很多植物化学家开展了植物代谢组学的研究，使得代谢组学得到了极大的充实，同时也形成了当前代谢组学的两大主流领域:metabolomics和metabonomics。经过不断发展， Fiehn、Allen、Nielsen、Villas-Boas等确定了代谢组学一些相关层次的定义，已被学术界广泛接受。第一个层次为靶标分析，目标是定量分析一个靶蛋白的底物和/或产物；第二个层次为代谢轮廓分析，采用针对性的分析技术，对特定代谢过程中的结构或性质相关的预设代谢物系列进行定量测定；第三个层次为代谢指纹/足印，定性并半定量分析细胞外/细胞内全部代谢物；第四个层次为代谢组学，定量分析一个生物系统全部代谢物，但目前还难以实现。 作为应用驱动的新兴科学，代谢组学已在药物毒性和机理研究、微生物和植物研究、疾病诊断和动物模型、基因功能的阐明等领域获得了较广泛地应用。近来，代谢组学又在中药成分的安全性评价、药物代谢的分析、毒性基因组学、营养基因组、药理代谢组学、整合药物代谢和系统毒理学等研究方面取得了新的突破和进展。 完整的代谢组学分析的流程包括样品的制备、数据的采集和数据的分析及解释。样品的制备包括样品的提取、预处理和化合物的分离。代谢物通常用水或有机溶剂(甲醇、己烷等)提取。分析之前，常先用固相微萃取、固相萃取、亲和色谱等方法进行预处理，用气相色谱、液相色谱、毛细管电泳等方法进行化合物的分离。预处理后，样品中的代谢产物需要通过合适的方法进行测定。色谱、质谱、磁共振、红外光谱、库仑分析、紫外吸收、荧光散射、放射性检测、光散射等分离分析手段及其组合都在代谢组学的研究中得到应用。其中，核磁共振(NMR)技术特别是氢谱以其对含氢代谢产物的普适性，色谱以其高分离度、高通量，质谱(MS)以其普适性、高灵敏性和特异性而成为最主要的分析工具。代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台进行数据的分析和解释，解读数据中蕴藏的生物学意义。最常用的是主成分分析(PCA)法和偏最小二乘(PLS)法。 代谢组的规模与物种有关，差异很大。细菌代谢组规模相对较小，一般认为大约不到1500种，例如F rster等重建了啤酒酵母的代谢通路图，其中包含1175个代谢反应和5