基于 NMR的代謝組學(xué)研究

• 2012-12-07
• 專題

代謝物是生命過程中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，能夠從某種程度上反映生命過程的本質(zhì)。雖然人們對代謝物和代謝水平的認(rèn)識和研究已經(jīng)有上百年的歷史，但是，將生物體作為一個整體進(jìn)行研究的代謝組學(xué)(metabonomics/metabolomics)，成為分子病理、基因功能分析和系統(tǒng)生物學(xué)研究的強有力的技術(shù)平臺只有7年的歷史。1998年Tweeddale等^[1]在研究大腸桿菌的代謝時提出了代謝組(Metabolome)這個概念用來表示代謝物整體(total metabolite pool)，并且指出，代謝組分析能夠提供有關(guān)細(xì)胞代謝和調(diào)控的信息。Nicholson等^[2]在1999 年提出代謝組學(xué)的概念(metabonomics)時將其定義為：對病理/生理刺激或基因改變時生物體系的動態(tài)代謝響應(yīng)的多參數(shù)定量分析(the quantitative measurement of the dynamic multiparametric metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli or genetic modification)。Metabonomics一詞來自希臘文的詞根“meta”和“nomos”。“meta”意思是“變化(change)”，“nomos”意思是“規(guī)律”或“原則”(就象 economics)。從這個定義本身不難看出，代謝組學(xué)分析的對象是生物體本身，而且是一個動態(tài)的整體。Nicholson研究組的工作包括動物體生理^[3~5]、藥物毒理^[6~9]、分子表型學(xué)^[10,11]、疾病診斷^[12~14]和以系統(tǒng)生物學(xué)為基礎(chǔ)的功能基因組學(xué)^[15~17]。Fiehn等^[18]在2000年，Raamsdonk 等^[19]在2001 年又提出了metabolomics這個單詞，用以強調(diào)把代謝組學(xué)這個技術(shù)平臺用于研究細(xì)胞系統(tǒng)基因的功能。目前，metabolomics有多個定義，但其本質(zhì)是：給定細(xì)胞在給定時間和環(huán)境下的所有小分子代謝物的定量分析(the quantitative measurement of all low molecular weight metabolites in an organism's cells at a specified time under specific environmental conditions)。所以從定義來看，metabolomics指的是靜態(tài)生物體系代謝組分析，因此可以認(rèn)為是 metabonomics 的一部分。事實上，近年來也有動態(tài)代謝組學(xué)(dynamic metabolomics)^[20]提法出現(xiàn)，說明metabolomics的含義正在朝著metabonomics靠近。在中文的表述中，沒有必要將兩個名詞分開,一律用“代謝組學(xué)”以避免不必要的名詞混淆。2002年以來，Nicholson等^[21]和Fiehn等^[22]分別撰寫綜述文章從不同的角度闡明代謝組學(xué)是研究藥物毒性和基因功能的平臺技術(shù)，以及聯(lián)結(jié)基因型和性狀表型的有力工具。這一系列論述奠定了代謝組學(xué)的基礎(chǔ)。代謝組學(xué)的出現(xiàn)，主要得益于分析技術(shù)的發(fā)展使得對大量樣品和大量代謝物的快速定量測定成為可能，而最為常用的方法是核磁共振(NMR) 和質(zhì)譜(MS)(圖1) 。

1  代謝組學(xué)的發(fā)展趨勢

代謝組學(xué)是一個全新的研究熱點。這主要表現(xiàn)在：第一、代謝組學(xué)的研究論文數(shù)正在以指數(shù)方式增長(圖1)；第二、高影響因子(>8.0) 學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表的論文數(shù)量較多(>60 篇)^{[17~19,21,23~81]}；第三、核心論文引用率高，其中引用100 次以上的有6篇，單篇最高引用接近240 次；第四、研究范圍廣泛并不斷增加，涉及到功能基因組學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)以及系統(tǒng)生物學(xué)等眾多領(lǐng)域；第五、儀器和分析技術(shù)的快速發(fā)展為代謝組學(xué)的進(jìn)步提供了更加廣闊的空間，也就帶來了更多的挑戰(zhàn)和機會。不斷提高的磁場強度使得核磁共振譜儀的分辨率有了更進(jìn)一步的提升，超低溫探頭的出現(xiàn)也讓 NMR的檢測靈敏度有了一定程度的提高。自動進(jìn)樣技術(shù)極大的縮短了大批量樣品的檢測時間。而計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)據(jù)分析的速度和可靠性提供了更有力的支撐。

2  代謝組學(xué)與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的關(guān)系

代謝組學(xué)研究的是在病理生理刺激或基因改變條件下生物體系代謝水平的應(yīng)答，此前提出的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)則分別從基因水平和細(xì)胞蛋白表達(dá)水平研究生物體系對藥物刺激的響應(yīng)。每個物種的基因組所含的基因序列與基因數(shù)目相對固定，但這些基因的表達(dá)水平會隨著發(fā)育階段不同或外部條件的變化而變化。從藥物研究和毒理學(xué)的角度來看，基因組學(xué)研究的是生物體受外源性藥物刺激后基因表達(dá)的改變，然而基因表達(dá)的改變或者調(diào)節(jié)與細(xì)胞系統(tǒng)整體功能之間的關(guān)系尚不清楚。因此蛋白質(zhì)組學(xué)方法主要針對給藥或其它病理生理過程引起的細(xì)胞蛋白質(zhì)組成的變化進(jìn)行半定量測量^[82~84]。盡管與基因組學(xué)相比，蛋白質(zhì)組學(xué)研究不那么昂貴，但是由于蛋白質(zhì)數(shù)量眾多，現(xiàn)有蛋白組學(xué)手段通量有限，因此勞動強度較大，進(jìn)展緩慢。同時必須指出，基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組研究更強調(diào)生命過程的調(diào)控機制和物質(zhì)基礎(chǔ)，而代謝組是以體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物的整體變化為出發(fā)點來研究生命過程的本質(zhì)。事實上，多數(shù)哺乳動物(如人)是動物體本身(宿主)和消化系統(tǒng)微生物菌群共同進(jìn)化、協(xié)同工作的“協(xié)同生物體”(symbiotic species)^[85]，對宿主本身的基因，蛋白質(zhì)的認(rèn)識只是該體系的一小部分^[86]。因此，基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組是從不同層面和水平上研究生命過程的途徑。

基因和蛋白質(zhì)數(shù)量眾多，它們的功能除了與一級和二級結(jié)構(gòu)有關(guān)外，在更多情況下與它們的三級結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程和相互作用有關(guān)。這也是功能基因組學(xué)和功能蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重點。與此形成對比的是，代謝物分型要少得多。目前已知的代謝物只有幾千種。由于代謝物是生命過程的終端產(chǎn)物，不僅分子量小而且在所有的生物體中都是相同的，因此，一般不存在三維結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的問題，也不要求完整的基因序列或者龐大的 EST(Expression Sequence Tag)數(shù)據(jù)庫。基因和蛋白表達(dá)具有重復(fù)性，由此導(dǎo)致的代謝物或代謝水平的變化則具有累加性。這種含量上的放大效應(yīng)，使得代謝物的識別比基因或蛋白質(zhì)的識別要容易得多。有限的代謝物分型必然導(dǎo)致一種代謝物同時涉及多個代謝過程或代謝循環(huán)。每個代謝循環(huán)會產(chǎn)生多個代謝物，不同代謝循環(huán)之間相互聯(lián)系、互相影響。代謝組學(xué)正是從代謝物整體變化的角度來研究生物體對各種刺激的動態(tài)響應(yīng)。

3  代謝組學(xué)研究方法

體液中的代謝物質(zhì)與細(xì)胞以及組織中的代謝物質(zhì)處在一個動態(tài)的平衡當(dāng)中，所以當(dāng)機體由于毒性或代謝障礙導(dǎo)致組織細(xì)胞出現(xiàn)異常的時候，生物體液的組成就會產(chǎn)生變化。代謝組學(xué)研究方法就是檢測代謝物水平的整體和動態(tài)變化，提取潛在的有診斷或常規(guī)程序化價值的生化信息，以此來反映生物體在外源刺激作用下真實的體內(nèi)的生物學(xué)過程，建立“組學(xué)”參數(shù)的輸入與響應(yīng)輸出之間的聯(lián)系。

代謝物整體水平的檢測所依賴的方法是分析化學(xué)中的各種譜學(xué)技術(shù)，如核磁共振波譜、質(zhì)譜、高效液相色譜、紅外光譜、紫外可見光譜以及各種原子光譜等。對海量譜學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和歸類分析，從中提取代謝特征或代謝時空的整體變化規(guī)律，是分析化學(xué)中的化學(xué)計量學(xué)或化學(xué)信息學(xué)的研究范疇。值得指出的是，代謝組學(xué)所強調(diào)的代謝特征或代謝時空的整體變化，不是傳統(tǒng)意義上的某種代謝物或少數(shù)幾種代謝物含量和存在方式的變化。建立代謝特征或代謝時空的變化與生物體特性的變化之間的有機聯(lián)系，是代謝組學(xué)研究的最終目標(biāo)。因此，分析化學(xué)在代謝組學(xué)研究中發(fā)揮著非常重要的作用，甚至是不可取代的作用。

3.1 代謝組學(xué)的研究過程

代謝組學(xué)研究一般包括四個步驟：第一步，給予生物體一定的刺激。這種刺激可以是基因的變異、剔除或引入，體內(nèi)生物過程的催化或抑制，致病或致病物質(zhì)(無機、有機、病毒、細(xì)菌、寄生蟲等等)的引入，以及各種環(huán)境因素的改變等等。除了刺激因素之外，引入刺激的時間和強度等也需要精心設(shè)計。適合于代謝組學(xué)研究的樣品種類非常廣泛，可以說是無所不包，例如尿液、血液、組織或組織提取物、器官甚至整個生物體等等。樣品收集時間、部位、種類等應(yīng)給予充分考慮。第二步，代謝組數(shù)據(jù)的采集。用核磁共振、質(zhì)譜、色譜等分析手段測定其中代謝物的種類、含量和狀態(tài)以及其變化。第三步，建立表征代謝特征的時空模型^[87]。在代謝組學(xué)中最常用的建模方法是主成分分析(Principle Components Analysis, PCA)。PCA 是對多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理的一種數(shù)據(jù)線性投影方法，它在保留原有信息的基礎(chǔ)上將高維空間中的樣本投影到較低維的主成分空間中。其基本思路是以一種最優(yōu)化方法濃縮數(shù)據(jù)，尋找?guī)讉€由原始變量線性組合而成的主成分,以揭示原始數(shù)據(jù)的特征，提取基本信息，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化和樣本的分類聚集。用PCA 方法建立的以代謝物的種類、含量和狀態(tài)隨時間的變化為基礎(chǔ)的代謝物時空模型應(yīng)能夠清楚地反映出外源性刺激的種類、程度和動態(tài)變化以及引起樣本在時空模型中的不同分布的標(biāo)志性代謝物。第四步，建立代謝物時空變化與生物體特性的關(guān)系，達(dá)到從不同層次和水平上闡述生物體對相應(yīng)刺激的響應(yīng)的目的。

3.2  基于 NMR的代謝組學(xué)的特點

作為眾多化學(xué)分析方法中的一種，NMR在代謝物組學(xué)的研究中起著非常重要的作用。這主要取決于NMR所具有的優(yōu)勢：首先，用NMR分析生物體液等復(fù)雜混合物時樣品的前處理簡單，測試手段豐富，包括液體高分辨NMR、高分辨魔角旋轉(zhuǎn)(HR-MAS)NMR 和活體核磁共振波譜(MRS)，因此，能夠在最接近生理狀態(tài)的條件下對不同類型的樣品進(jìn)行檢測。其中需要特別提到HR-MAS方法，該方法是將樣品在與靜磁場成魔角(54.7°) 的方向旋轉(zhuǎn)，消除了磁場不均勻性、化學(xué)位移各向異性和偶極－偶極相互作用帶來的譜線增寬影響，從而可以獲得與液體高分辨 NMR相媲美的分辨率。更重要是，這種方法對代謝物在組織中的定位有獨特的優(yōu)點，目前已經(jīng)有不少將此方法用于肝臟^[88~90]，腦組織^[91~93]，前列腺^[94~96]等組織的研究報道。其次，NMR是一種無損的多參數(shù)和動態(tài)分析技術(shù)，NMR同時具有定性分析和定量分析功能，并且通過單次檢測可以得到所有含量在NMR檢測限以上的物質(zhì)(含有 NMR可觀測核的物質(zhì))的特征NMR譜，以及這些物質(zhì)在整個刺激周期中的動態(tài)變化，而且NMR譜攜帶有豐富的分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)信息；再次，NMR檢測可以在很短的時間內(nèi)完成(一般5～10 min)，這對于實現(xiàn)高通量樣品檢測和保證樣品在檢測期內(nèi)維持原有性質(zhì)來說是至關(guān)重要的。此外，流動探頭、自動進(jìn)樣技術(shù)和自動 NMR譜處理技術(shù)的出現(xiàn)和不斷完善，也使得測定速度和準(zhǔn)確性不斷提高。而且，核磁共振手段靈活多變，通過操控脈沖序列我們可以獲得多種多樣的信息。例如代謝組學(xué)中常用到的譜編輯手段^[88,97~99]：使用單脈沖、CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)和擴散加權(quán)序列，可以分別獲得樣品中不同官能團、不同分子量或不同存在狀態(tài)的分子的¹H NMR譜。

當(dāng)然NMR方法也有其局限性，例如它的檢測靈敏度較低，而且檢測動態(tài)范圍有限，很難同時檢測同一樣品中含量相差很大的物質(zhì)。色譜(LC)以其卓越的分離能力，質(zhì)譜(MS)技術(shù)以其普適性、高靈敏度和專一性，也成為代謝組學(xué)中重要的分析手段，但是它們也存在各自的缺陷，如色譜和質(zhì)譜的選擇性檢測能力較差、大量譜峰的識別以及方法的重現(xiàn)性問題、質(zhì)譜中不同離子化程度對代謝物定量的影響等。

4 代謝組學(xué)研究的廣泛應(yīng)用

代謝組學(xué)經(jīng)過幾年的發(fā)展，方法正日趨成熟，其應(yīng)用已經(jīng)滲入生命科學(xué)研究的方方面面，并日益彰顯出其強有力的科學(xué)潛能。

4.1 藥物開發(fā)、安全性評價

快速發(fā)展的醫(yī)藥工業(yè)對分析手段的效率以及可靠性提出了更高的要求。藥物直接或者通過某些代謝途徑產(chǎn)生的代謝物使基因表達(dá)產(chǎn)生改變，基因表達(dá)的改變又會影響蛋白質(zhì)的合成，基因與蛋白質(zhì)的變化都可以造成毒理終點的產(chǎn)生；另外藥物通過代謝進(jìn)入血液，進(jìn)而分布到一些組織器官產(chǎn)生作用，也能形成毒理終點。而毒理終點造成的生化改變是 NMR所能檢測到的。對 NMR數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計量學(xué)和多變量分析方法，就能提取出豐富的藥物代謝信息。因此代謝組學(xué)在制藥工業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用：在藥物開發(fā)階段，代謝組學(xué)不僅可以進(jìn)行早期活體毒理測試，而且能為藥物分子的篩選提供依據(jù)；在藥物臨床應(yīng)用前，它能幫助確定藥物的安全性生物標(biāo)記物和代謝表型，并能評價將動物模型實驗應(yīng)用于人類疾病的可行性。

Nicholson研究組多年的實驗發(fā)現(xiàn)：基于NMR的代謝組學(xué)方法不僅能區(qū)分組織器官的正常與非正常的狀態(tài)，而且能給出毒性作用的靶器官以及作用機制，識別出毒性的生物標(biāo)記物。他們的工作主要集中在藥物對腎臟、肝臟毒性的研究上，通過長期的實驗經(jīng)驗積累，他們將體液的磁共振波譜分解成一系列的“生物標(biāo)記物窗口”，這些“窗口”分別與特定的器官毒性相對應(yīng)，從而可以從簡單的1D¹H NMR譜獲取豐富的毒理信息^[21]。在藥物毒理代謝組學(xué)的研究領(lǐng)域，最為矚目的工作是國際COMET(Consortium for Metabonomic Toxicology)計劃^[100,101]，該計劃由五家著名的制藥公司與英國帝國理工學(xué)院聯(lián)合完成，旨在用嚙齒動物的尿液、血液的1H NMR譜建立代謝組數(shù)據(jù)庫，并為目標(biāo)器官及其位點的毒性建立預(yù)測性專家系統(tǒng)。在完成約147種毒性模型的實驗研究后，他們已經(jīng)建立起了第一個基于機器學(xué)習(xí)的實驗室嚙齒動物肝臟和腎臟毒性預(yù)測的專家系統(tǒng)。

4.2 病理學(xué)研究

由于病理狀態(tài)造成的代謝紊亂同樣也是核磁共振技術(shù)所能檢測的，同時，機體任何部分出現(xiàn)異常狀態(tài)，在體液的組成上都會有反映。

相對于傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷方法，代謝組學(xué)方法具有無創(chuàng)性及樣品制備簡單等優(yōu)點，因此其應(yīng)用范圍涵蓋了先天性代謝缺陷、腎臟和肝臟移植、Alzheimer疾病、癌癥等廣泛的領(lǐng)域^[102~104]。其中典型的例子是冠心病的研究。冠心病以前主要通過血管造影術(shù)來診斷，該方法不僅昂貴，而且伴隨有不良反應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致死亡。而 Brindle 等^[25]用代謝組學(xué)方法用于冠心病診斷，結(jié)果顯示經(jīng)過正交信號校正(OSC) 的模式識別方法能很好的區(qū)分重癥冠心病(三支血管疾病，TVD)和冠狀動脈正常人的血清。另外，對于傳統(tǒng)的測量血壓、總膽固醇、總甘油三脂、纖維蛋白素原、白細(xì)胞數(shù)量等冠心病危險度因子(risk factor)無法區(qū)分的不同嚴(yán)重程度的冠心病，代謝組學(xué)方法也能很好的區(qū)分，并且通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)VLDL、LDL、HDL和膽堿等是導(dǎo)致兩者區(qū)分的主要因素。他們也用代謝組學(xué)方法對不同程度的高血壓病人作了研究^[12]，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致不同收縮壓(Systolic Blood Pressure, SBP)的因素是血清中脂蛋白顆粒的組成，如脂肪酸側(cè)鏈的不飽和度、脂蛋白分子之間相互作用的強度，而不是脂類的絕對含量。多種癌癥^[96,105](乳腺癌、卵巢癌、肝癌、前列腺癌、腦腫瘤)、先天性障礙^[102~104]等疾病在代謝組學(xué)方法的指引下也有了許多新的發(fā)現(xiàn)。最近，wang等^[44]用代謝組學(xué)方法研究了血吸蟲病對嚙齒動物尿液代謝的影響，發(fā)現(xiàn)血吸蟲的侵染嚴(yán)重擾亂了體內(nèi)三羧酸循環(huán)等代謝過程，并對腸道菌群的代謝產(chǎn)生了影響。可以預(yù)見，代謝組學(xué)在分子病理和疾病診斷等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

4.2  營養(yǎng)代謝組學(xué)

代謝組學(xué)的方法可以幫助識別和常量營養(yǎng)物的最終攝入效應(yīng)密切相關(guān)的代謝物，并且有助于定義各種常量營養(yǎng)物的正常攝入范圍。從長遠(yuǎn)來看，代謝組學(xué)的研究可以幫助理解當(dāng)單一的養(yǎng)分(如氨基酸等)攝入過多或者過少時整個機體的新陳代謝會發(fā)生怎樣的改變。除此之外，這也是一個在考慮到代謝的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上合乎科學(xué)地建立常量營養(yǎng)物的合理攝入范圍的評估策略。

Solanky 等^[106]對進(jìn)食含有(結(jié)合態(tài)或非結(jié)合態(tài))大豆異黃酮的食物的女性的尿液進(jìn)行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于大豆異黃酮的攝入，導(dǎo)致了尿液中的氧化三甲胺明顯升高，對氧化三甲胺的升高有兩種可能的解釋：(1)動物實驗表明大豆蛋白對損傷的腎臟有明顯的保護(hù)作用，而氧化三甲胺含量的升高以及伴隨發(fā)生的甜菜堿、膽堿、肌酸和肌酐含量的變化，標(biāo)志著腎功能的增強；(2)氧化三甲胺、甜菜堿、膽堿等都是微生物代謝的中間產(chǎn)物，因此進(jìn)食含有豐富大豆異黃酮的食物，可能擾動了腸道微生物菌群。谷氨酸和谷氨酰胺的上升表明三羧酸(TCA) 循環(huán)受到了影響，因為它們可以很容易轉(zhuǎn)化成 TCA 循環(huán)的中間產(chǎn)物。另外檸檬酸的下降和糖含量的改變標(biāo)志著糖酵解速率的下降，從而影響到糖類的代謝。而甲胺通路的中間產(chǎn)物以及膽堿、甜菜堿、甘氨酸和乙酸鹽的含量變化表明脂類和膽固醇的代謝、轉(zhuǎn)移發(fā)生了改變。以上結(jié)果顯示出基于 NMR的代謝組學(xué)能夠給出復(fù)雜生物體系對飲食改變的精細(xì)生化響應(yīng)。

幾個世紀(jì)以來，菊花茶作為一種功能性飲料一直為人類所飲用，起到抗炎、抗氧化和抗菌等保健作用。Wan g等^[107]對持續(xù)飲用歐洲黃菊的志愿者的尿液進(jìn)行了分析，通過正交信號校正的模式識別方法排除了性別、飲食的影響，提取出了僅僅和此花攝入有關(guān)的代謝信息。研究結(jié)果表明：由于菊花的抗氧化作用導(dǎo)致了尿液中的肌酸酐的下降，而馬尿酸和苯乙酰基谷酰胺含量的上升則表明了由于菊花的抗菌作用對人體腸道菌群產(chǎn)生了一定的影響，而這種影響最終造成了什么效果等問題還有待進(jìn)一步回答。

4.3  功能基因組的研究

代學(xué)組學(xué)應(yīng)用于功能基因組學(xué)是基于這樣一種觀點：基因產(chǎn)生變異的生物體在生長速率等表型上可能沒有顯著的改變，這是因為細(xì)胞內(nèi)的代謝物濃度的改變補償了變異產(chǎn)生的影響。但是這也同時意味著生物體在代謝表型上可能會有顯著的變化^[108]。譬如，無論從遺傳還是代謝的角度看，傳統(tǒng)認(rèn)為，Han Wistar (HW)和Sprague Dawley (SD) 兩個大鼠系十分接近，而且兩個系均廣泛地被用于藥物的研制。可是代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，它們的尿液代謝組有本質(zhì)的區(qū)別。Bundy等^[11,109]用代謝組學(xué)方法研究蚯蚓的表型時發(fā)現(xiàn)，幾種形態(tài)上并無區(qū)別的蚯蚓，其體腔液(coelomic fluids)和組織代謝組有明顯的區(qū)別。這些例子都表現(xiàn)出代謝組學(xué)方法的高靈敏性。

剔除或過表達(dá)蛋白編碼基因很可能導(dǎo)致多種代謝物的濃度發(fā)生變化，因此理論上定量研究變異產(chǎn)生的代謝物濃度的相對變化有可能可以識別基因產(chǎn)物的作用位點。另外，由于具有相似變化的基因具有相似的功能，所以可以將剔除一個未知功能的基因所產(chǎn)生的細(xì)胞代謝上的變化，與剔除已知功能基因所產(chǎn)生的代謝變化進(jìn)行比較，從而確定未知基因的功能，這就為我們研究基因的生物學(xué)功能提供了理論依據(jù)和新的途徑。了解基因變異帶來的功能上的改變對于建立和驗證新的人類疾病模型有著非常重要的意義。而且用代謝組學(xué)的方法評價基因修飾在植物改良中的安全性也有著巨大的潛力。

Raamsdonk等^[19]利用FANCY(Functional ANalysis by Co-responses in Yeast)方法對野生型 FY23及其6種突變株進(jìn)行了研究。這6種突變株分別是選擇性剔除了 PFK26、PFK27、PET27、PET191、COX5a和ρ。在培養(yǎng)的指數(shù)生長中期分別對其代謝物進(jìn)行提取，并獲取¹H NMR譜。實驗數(shù)據(jù)的 PCA方法分析結(jié)果表明，代謝組學(xué)方法能對具有相關(guān)生物活性的基因進(jìn)行分類，能正確地區(qū)分性質(zhì)上相似、程度上不同的表型突變。甚至基因表型緘默的幾種突變體也能夠被明顯區(qū)分為呼吸缺陷突變體、部分呼吸缺陷突變體和控制組三類。

代謝組學(xué)還參與到了 BAIR(Biological Atlas of Insulin Resistance) 計劃當(dāng)中。BAIR計劃是由英國倫敦大學(xué)帝國理工學(xué)院、女王瑪麗與威斯特菲爾德學(xué)院，劍橋大學(xué)和牛津大學(xué)合作，由英國 Wellcome Trust功能基因組發(fā)展倡議基金資助的一個項目(http://www.bair.org.uk/) ，其目標(biāo)是用包括代謝組學(xué)在內(nèi)的各種組學(xué)、生物信息學(xué)、嚙齒動物基因打靶、人類遺傳學(xué)以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等手段，研究胰島素作用和導(dǎo)致胰島素抵抗的分子機制，并對處于正常或紊亂狀態(tài)的胰島素行為作出系統(tǒng)的分子描述，以對人類的遲發(fā)糖尿病、肥胖癥、高血壓和冠心病等疾病作出相應(yīng)的解釋，從而使人類能更合理、有效的處理和防止這類疾病的發(fā)生。

5 機遇和挑戰(zhàn)

整體來講，代謝組學(xué)研究仍然處于早期發(fā)展階段，面臨著方法學(xué)和廣泛應(yīng)用兩方面的挑戰(zhàn)。儀器和分析技術(shù)的發(fā)展，特別是基于計算機的模式識別和專家系統(tǒng)的發(fā)展將對基于 NMR的代謝研究的進(jìn)步產(chǎn)生巨大的推進(jìn)作用。但是，仍有大量方法學(xué)上的問題需要解決：生物體系的復(fù)雜性決定了生物體液以及生物組織組成的復(fù)雜性，從而造成了 NMR譜峰的重疊，對物質(zhì)的歸屬和精確定量造成一定的影響；NMR方法的低靈敏度也是一直困擾 NMR工作者的一個問題；現(xiàn)有的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析方法對高含量物質(zhì)濃度的變化有很好的識別能力，但是對低含量代謝物分析的準(zhǔn)確性和可靠性都較低，然而在某些情況下這些低含量的物質(zhì)往往攜帶了重要的信息。雖然科研工作者已經(jīng)得到了大量與重要生理病理變化或基因變異等有關(guān)的標(biāo)志性代謝物，但是離建立完整的診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)診斷常規(guī)化還有很長的距離。

盡管代謝組學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及到功能基因組學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、昆蟲/動物、系統(tǒng)生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，但是在這些領(lǐng)域里的代謝組學(xué)還有許多具體應(yīng)用的潛在價值可以發(fā)掘。相信隨著代謝組學(xué)應(yīng)用的廣度和深度的不斷增加，我們將會更充分認(rèn)識到其優(yōu)越性，這也將為人類更高效、準(zhǔn)確的評價藥物的安全性、更全面的認(rèn)知疾病過程，甚至于指導(dǎo)人類的營養(yǎng)健康、監(jiān)測環(huán)境等提供一種有力的手段。

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注：本文為提供者整理翻譯的，由于知識所限，錯誤在所難免，敬請原諒。如有問題可以查找原文。