代谢组学的概念及其在肝病中的应用

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1、代谢组学的概念及其在肝病中的应用浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室李兰娟一、代谢组学的概念代谢物是生命体基因、蛋白以及所有新陈代谢过程的产物，是疾病、药物与生命体相互作用的最终结果和 表现。任何外源物质、病理生理变化或遗传变异的作用都会反映到各种生物学途径上，对内源性代谢物质的稳 态平衡产生干扰，从而使内源性代谢物中的各种物质的浓度和比例发生变化。因此，代谢组学是研究生命体所 有代谢物及其中间体种类、数量及其变化规律的科学，系统、整体的反映细胞、器官或个体的代谢物质的功能 及其与内在或外在因素的相互作用。代谢物在机体生命活动过程中非常重要，可作为能量的载体和储存体、信号分子、神

2、经递质、转录和翻译 的调控因子、蛋白质功能的调控因子等，在生命活动中起重要作用。由不同代谢物构成的代谢网络处在信号转 导网络、基因调控网络和蛋白质相互作用网络的下游，可反映基因组、转录组和蛋白质组的变化，与表型有较 高的相关性。同时，代谢物与上游基因、蛋白进行相互作用以反馈上游的生命活动网络，以完成机体的生命活 动。二、代谢组学的发展历史代谢组学是一门快速发展的科学研究领域，代谢组学的概念最早来源于代谢轮廓分析 （Metabolicprofiling），于上世纪70年代由Devaux等人提出。1986年，色谱A杂志出版了一期关于代谢轮廓 分析的专辑。在90年代，随着基因组学的发展，Oliver

3、等人提出了代谢组学（metabolomics）的概念。1999年 Jeremy K. Nicholson等人提出metabonomics的概念，并应用于疾病诊断、药物筛选等方面，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。一般认为， metabolomics是通过考察生物体系受刺激或扰动后代谢产物的变化或其随时间的变化，来研究生物体系的代谢 途径的一种技术。而metabonomics是生物体对病理生理刺激或基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化 的研究。前者一般以细胞做研究对象，后者则更注重动物的体液和组织。三、

4、代谢组学与其他组学的关系各种组学的发展产生了一门新的学科一一系统生物学，系统生物学的研究内容涵盖基因组学、转录组学、 蛋白质组学和代谢组学。在这几种组学的研究中，基因组学主要研究生物系统的基因结构组成，即 DNA的序列 及表达；蛋白组学主要研究生物系统表达的蛋白及外因引起的差异蛋白改变；代谢组学是研究生命体受外部刺 激所产生的所有代谢产物的变化，是基因组学和蛋白组学的延伸。由于基因或蛋白的功能补偿作用，某个基因 或蛋白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿，最后反应的净结果为零，使得疾病状态不易被发现。 而小分子的产生和代谢产物是这一系列事件的最终结果，它能够更准确地反映生物体系的状态。与

5、转录组学和 蛋白组学比较，代谢组学还具有以下优点：1）检测更容易。基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得 到放大；2）不需要特征化的数据库。代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签（EST）的数据库；3）种类少。代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。每个个体基因至少有几千个，而目前代谢产物最多 也就数千个；4）代谢产物具有通用性。因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的，所以代谢组学研究中采用 的技术更通用。四、代谢组学的研究方法代谢组学研究步骤包括：样品制备、代谢产物分离、检测与鉴定、数据分析与模型建立四个部分。研究样 品主要是尿液，血浆或血清，唾液，以及细胞和组织的提取液。

6、在样品搜集过程中，要注意几点：1)种族和家 系；2)性别；3)饮食状况；4)作息习惯；5) 一般状况，如体重等；6)用药情况。以上情况的改变均可能导致代 谢谱的变化，在进行实验设计时需要考虑这些因素的情况。代谢组学的主要分析技术方法有核磁共振、色谱-质谱联用、代谢物芯片等。目前主要应用核磁共和色谱- 质谱联用方法。其中色谱-质谱联用包括液-质联用(LC-MS)和气-质联用(GC-MS)等。核磁是其中最常见的分析 工具，能够实现对样品的非破坏性、非选择性分析，满足了代谢组学中的对尽可能的化合物进行检测的目标。 但它存在灵敏度低、分辨率不高等缺陷，常常引起高丰度的分析物掩盖低丰度的分析物。GC-M

7、S在植物代谢组 学研究中应用广泛，它的优势在于能够提供较高的分辨率和检测灵敏度，且有可供参考的标准谱图库进行结果 定性分析。但GC-MS只能对其中的挥发性组分实现直接分析，而对难挥发性物质分析效果不佳。近来采用新的 衍生化方法对血清/血浆样品进行研究，拓展了 GC应用范围；LC-MS作为一种有益的补充和替代技术，逐渐被 广泛地用于代谢组学的研究中。LC-MS以液相作为其分离方法，增强了其分辨能力，尤其是近来发展的超高压 液相，可显著增加分析样品的分辨率和灵敏度。与质谱联用不但可以获得差异代谢组信息，而且可以得到代谢 组分的结构信息。在得到样品代谢物谱后，需结合数学模式识别方法，量化一个生物整体

8、代谢随时间变化的规律，建立代谢 整体的变化轨迹，来辨识和解析被研究对象的生理、病理状态及其与环境因子、基因组成等的关系，找出与之 相关的生物标志物，从而达到从整体上把握人体健康状态和疾病治疗措施的效果。五、代谢组学在肝病中的应用进展目前代谢组学已经广泛应用于基础生理、生化、药物毒性试验、功能基因组、临床诊断、临床治疗及疗效 评估、营养学、药物代谢和分子流行病学等领域。各种疾病，包括糖尿病、心肌梗塞、非特异性肠炎等，应用 代谢组学平台进行研究，已有初步研究结果。肝脏作为体内新陈代谢的中心站，有500种以上的化学反应在肝脏中发生。居于肝脏在代谢过程中的重要 作用，代谢组学研究起步伊始，就在肝病领域

9、进行了大量研究。2000年，Robertson等应用四氯化碳、a-荼 基异硫氤酸盐两种化合物造成肝脏损伤，观察不同时间点的代谢物谱特征，实验表明代谢物特征可预测肝损模 型的严重程度，并可作为预测指标。Nicholson等应用代谢组学方法对不同药物导致的肝脏毒性进行了大量研 究，发现代谢谱可作为肝脏毒性严重程度的指标。法国有专家应用核磁发现血和尿冲谷氨酸盐与肌酐比值在死 亡组肝衰竭中显著高于存活组，死亡率与ALT/AST/TBil无关；印度也有学者应用核磁对缺血性猪肝衰竭动物 模型代谢组检测，发现胆碱、谷氨酸盐、NAG、TMAO，生物人工肝治疗对胆碱、TMAO有显著的作用。国内进行代谢组学研究的单位主要集中在分析、化学、药物等研究测试中心。本中心与中科院大化所进行 科研合作，利用LC-MS对慢性肝炎急性恶化的患者血清进行研究，发现多个溶血磷酯与病情相关。他们还对肝 炎、肝癌患者尿液核苷进行研究，发现核苷与疾病进展相关，且在诊断肝癌的准确率较甲胎蛋白高。本中心应 用GC-MS对肝衰竭患者血清代谢谱进行研究时发现，代谢谱与疾病程度相关，并可预测疾病严重程度。随着现代检测技术的发展，代谢组学已成为系统生物学研究中继基因组学、转录组学、蛋白组学后一个重 要的组学平台，并将在医药行业中也得到广泛的应用。