代谢组与代谢组学.docx

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1、代谢组与代谢组学 摘要：代谢组学主要考察生物体系受刺激或扰动后其内源性代谢产物的改变，从而探讨生物体系的代谢途径。代谢指纹分析技术是代谢组学常用的探讨手段之一。本文对代谢组学及代谢指纹分析技术的探讨进展作相应的论述。 关键词：代谢组学；分析技术；代谢指纹分析 中图分类号：Q493.1文献标识码：A文章编号：1672-979X(2008)09-0062-04 Progress on Metabolic Fingerprinting Analysis in Metabonomics SUN Xiang-ming, DU Juan, NAN Li-li (1. Research Center on

2、Life Sciences and Environmental Sciences, Harbin University of Commerce; 2. Engineering Research Center on Natural Anticancer Drugs of Ministry of Education, Harbin 150076, China) Abstract：Metabonomics mainly investigates the change of endogenous metabolism of biological system that is stimulated or

3、 disturbed, and studies the metabolic pathways of biological system. Metabolic fingerprinting analytical technique is one commonly used study method in metabonomics. This paper reviews the progress on metabonomics and metabolic fingerprinting analytical technique. Key words：metabonomics; analytical

4、technique; metabolic fingerprinting analysis 1代谢组学简介 1.1代谢组学的概念 代谢组学是通过考察生物体系受刺激或扰动后（某个特定的基因变异或环境改变）其代谢产物的改变或随时间的改变，是探讨生物体系代谢途径的新技术1。Nicholson最初给出的定义是：定量测量生物体因病理生理刺激或基因变更引起的代谢应答改变2,3，系统性的代谢组学概念应将机体的代谢过程与微生物代谢以及外源环境因子的相互作用因素综合起来4。在其它文献的描述中还突出了代谢组学的时空动态性和全局性观点，体现了代谢组学与静态的代谢物组学的差别5。因此，代谢组学是一个具有更广泛意义的系统

5、生物学概念。严格地说，代谢物组是指某一生物或细胞全部的代谢产物（metabolite）。在实际工作中由于分析手段的局限性，更多的人倾向于将代谢物组局限于某一生物或细胞中全部的低相对分子质量（Mr）代谢产物。与基因组学、转录组学和蛋白质组学相对应，代谢组学是一门对某一生物或细胞全部低Mr代谢产物进行定性和定量分析，以监测活细胞中化学改变的科学。探讨过程中，逐步提出了一些相关概念，如代谢物靶目标分析（metabolite target analysis）、代谢轮廓（谱）分析（metabolic profiling analysis）、代谢组学（metabonomics或metabolomics）和

6、代谢指纹分析（metabolic fingerprinting analysis）。 1.2代谢组学的技术平台 代谢组学主要探讨作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物（Mr1 000）。其样品主要是尿液、血浆或血清、唾液以及细胞和组织的提取液。探讨大致分为3个阶段：样品制备，代谢产物检测、分析与鉴定以及后期数据分析和模型建立。 与原有的各种组学技术只分析特定类型的物质不同，代谢组学所分析对象的大小、数量、官能团、挥发性、带电性、电迁移率、极性以及其他物理化学参数差异很大，单一的分别分析手段往往难以保证无偏向的全面分析。色谱、质谱、核磁共振波谱、红外光谱、原子光谱、库仑分析、紫外汲取、荧光散

7、射、放射性检测和光散射等分别分析手段及其组合都应用于代谢组学的探讨，一般依据样品的特性和试验目的，选择最合适的分析方法。目前最常用的分别分析手段是气相色谱和质谱联用（GC/MS），液相色谱和质谱联用（LC/MS），核磁共振（NMR）及傅里叶变换红外光谱与质谱联用（FTIR/MS）。 2代谢指纹分析技术的进展 代谢指纹分析系整体性地定性分析样品，比较图谱的差异快速鉴别和分类，而不分析或测量详细组分6。以下是目前常见的几种代谢指纹分析技术。 2.1核磁共振技术 1999年Nicholson2首次提出以NMR分析为主的代谢组学探讨模式，并联合国际6大制药公司启动了以创新药物平安评价和预料为主要探讨目

8、的的COMET安排，极大地推动了代谢组学在医药领域的应用和发展。NMR是一种基于具有自旋性质的原子核在核外磁场作用下，汲取射频辐射而产生能级跃迁的谱学技术。20世纪70年头初NMR起先应用于生物医学探讨并得到快速发展。利用高辨别率NMR技术检测完整器官或组织细胞内很多微量代谢组分，可得到相应的生物体代谢物信息。探讨这些组分的NMR图谱，综合分析这些信息反映的生物学意义，可以了解生物体代谢的规律，得出科学的结论，并可用于新药临床前平安性的评价。如Dumas等7利用1H-13CHMBC-NMR技术胜利地检测分析了内源性物质的代谢产物。 代谢组学中NMR方法的特点如下8：（1）不破坏样品的结构和性质

9、，无辐射损伤；（2）可在肯定的温度和缓冲液范围内选择试验条件，在接近生理条件下进行试验；（3）可探讨化学交换、扩散及内部运动等动力学过程，给出极其丰富的有关动态特性的信息；（4）可设计多种编辑手段，试验方法敏捷多样；（5）无偏向性，对全部化合物的灵敏度是一样的。 1H-NMR的化学位移范围只有10 ppm，因此在35 ppm和68 ppm处有大量的氨基酸存在，图谱上可能出现上百个化合物的峰。这些峰相互重叠、干扰，造成图谱解析困难，生物标物（biomarker）常受到与测定不相关物质的干扰，使NMR难以发挥作用。高辨别核磁共振（high-resolution NMR）则成为强有力的武器。高辨别核

10、磁共振仪具有较好的灵敏度，信号分散，图谱简单解析，可检测的核素有1H，13C，15N，19F，23Na，31P和39K等。新发展的高辨别魔角旋转（HR-MAS）、活体磁共振波谱（MRS）和磁共振成像（MRI）等技术能无创、整体、快速地获得机体某一指定活体部位的NMR谱，干脆鉴别和解析其中的化学成分。1H-NMR和LC/NMR成为代谢组学探讨领域的最主要分析技术之一。 2.2质谱技术 由于代谢组学关切的是Mr r信息和结构信息；（5）既可定量分析又可定性分析；（6）能有效的与各种色谱法在线联用，成为分析困难体系的有力手段。然而，MS也存在离子化程度和基质干扰等问题。近年，随着质谱及其联用技术的发

11、展，新一代MS也起先在代谢组学探讨和代谢通量分析中倍受青睐9-12。相关的MS技术主要进展如下。 2.2.1傅里叶变换离子回旋共振技术（FT-ICR）由于精确鉴定困难体系中未知标记物的结构仍是技术难点13，目前FT-ICR质谱仪是质量解析度最高的质谱仪系统，具有超高辨别率和高精确度等突出的优点，并可以配备大气压电离（API）、纳升级电喷雾（nano-ESI）和基质协助激光解吸（MALDI）等各种离子源，在代谢组学探讨中将发挥更大的作用14。 2.2.2干脆输注大气压电离化质谱技术（DIMS）在代谢指纹的快速扫描中，除了常规的NMR和分子振动光谱等方法外，DIMS技术的应用日趋广泛15。 2.2

12、.3基于多孔硅表面的解吸离子化技术（DIOS）最近报道的电喷雾解吸电离（DESI）质谱技术（ambient MS）16,17的突出特点是，在常压下能解吸电离表面吸附的分析物（无需样品前处理也不受基体背景干扰），从而实现原位、高通量、非破坏性的分析困难样品，获得更干脆和全面的样品信息。 2.3色谱技术 采纳各种色谱整体性地分析困难中药体系的次生代谢产物，还只是中医药现代化探讨的起点。这种方法首次强调从整体和系统的角度看待中药，采纳各种色谱高通量、整体性地分析困难中药体系的次生代谢产物，即通过比较色谱指纹图谱的异同并进行模式识别分析，以区分鉴定中药材并限制质量18，为理清中药困难体系的化学基础打下

13、了良好的基础。事实上，这本身就是一种代谢组学的探讨方法19。 全二维气相色谱（GCGC）是将分别机制不同且又相互独立的2根色谱柱以串联方式连接在一起。2根色谱柱之间装有1个起捕集再传送作用的调制器，将第1柱分别的组分由调制器聚集后以脉冲方式进入第2柱进一步分别，全部组分从第2根色谱柱进入检测器。GCGC与GC相比具有高辨别率、高灵敏度、高峰容量等优点。袁凯龙等20建立了一种基于尿中有机酸的SPME（自动固相微萃取）/GCGC-FID指纹图谱分析方法，通过尿样干脆衍生后固相微提取，再行GCGC-FID分析，比较了GCGC和GC的分别实力，证明GCGC可用于探讨疾病和药物作用于身体导致代谢异样的代

14、谢指纹图。 2.4分析技术联用 通过包括色谱（GC、LC）或毛细管电泳（CE）在内的多维分别技术21,22，以及不同测定技术的联用23-26可做到分析平台的优势互补；此外，采纳二维核磁共振（2D-NMR）27可减弱困难生物样品中大分子信号的干扰，提高小分子物质的检测实力。随着NMR技术的发展，以前用于固体的魔角旋转（MAS）技术也移植到了液体领域，用来探讨以前难以用液体NMR探讨的样品，如器官组织样品。利用MAS-NMR技术可以得到完整的组织样品高辨别谱图，扩展了代谢组学探讨的样品范围，同时可以更全面深化地探讨一个系统。 MS与各种色谱技术联用使它在药物代谢组学的探讨中扮演着非常重要的角色。F

15、iehn等28用GC-MS从植物叶的提取物中自动匹配出326个化合物，然后用代谢轮廓鉴别4种不同基因型的植物。GC-MS 有很好的分别效率且相对较为经济，但须要对样品进行衍生化预处理，这一步骤会耗费额外的时间，甚至引起样品改变。受此限制，LC/MS 中目前应用较广的是高效液相色谱和质谱联用（HPLC-MS）。HPLC 与GC 原理相像，但进样前不需衍生化处理，更适合于不稳定、难于衍生化、不易挥发和Mr较大的化合物。独特的优势使得LC/MS在药物代谢组学的探讨领域中应用得日益广泛。MS的选择性和灵敏度都好于NMR。 Waters公司领先采纳先进的超高效液相色谱/高辨别飞行时间质谱技术（UPLC-

16、TOFMS）以及联机的Micromass MarkerLynx自动化数据处理软件，为代谢组学探讨供应了从样品分析到数据分析全过程的整体解决方案29。Plumb等30,31用液相色谱和飞行时间质谱（LC-TOFMS）联用技术，在事先不清晰受试药物结构的状况下检测了体液中的药物代谢产物，结合化学计量学的方法对比分析给药样本与空白样本的谱图，在困难谱峰中分出了代谢产物的质谱峰，避开了大量内源性物质的干扰。此外，Harada 等32研制了一种特别适用于代谢分析的以毛细管电泳与质谱联用为基础的方法，此方法利用压力协助毛细管电泳和电喷雾电离质谱（PACE/ESI-MS），能同时分析磷酸糖、有机酸、核苷酸和

17、辅酶A化合物等阴离子代谢产物。由此可见，多种分析技术联用在药物代谢组学的探讨中起着多么重要的作用。 3代谢指纹分析在代谢组学探讨中的作用 代谢组学探讨的是细胞或生物样品全部代谢物的综合表现全局观点，通常采纳绘图技术、现代分析测定方法（NMR，HPLC，MS）以及计算技术和统计方法，以高通量试验和大规模的计算为特征，最终完成“指纹图谱”。通过“代谢指纹图谱”不仅探讨药物本身的代谢改变，而且探讨药物引起的内源性代谢物的改变，更干脆地反映了体内生物化学过程和状态的改变，阐明药物作用靶点或受体。通过检测一系列样品的谱图，再结合化学模式识别方法，可以推断生物体的病理生理状态、基因的功能、药物的毒性和药效

18、等，并有可能找出与之相关的生物标记物。 参考文献 1Nicholson J K, Connelly J, Lindon J C, et al. Metabonomics: a platform for studying drug toxicity and gene function J. Nat Rev Drug Discov, 2002, 1(2): 153-161. 2Nicholson J K, Lindon J C, Holmes E.Metabonomics understanding the metabolic responses of living systems to path

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