刘 伟 寇国栋

(河北师范大学生命科学学院 石家庄 050024)

1 代谢组学的概念

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的一门新兴学科，它以生物系统中的代谢产物(由于实际分析手段的局限性，目前主要针对相对分子质量1000以下的小分子)分子为对象，以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段，结合模式识别等化学计量学方法，分析生物体系受刺激或扰动后代谢产物的变化规律或其随时间的变化规律。在英文文献中，早期的代谢组学研究著作使用了两个不同的术语，即metabolomics和metabonomics。前者主要以单个细胞作为研究对象，Fiehn[1]将其定义为定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量的代谢产物；后者一般以动物的体液和组织为研究对象，Nicholson等[2]将其定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生代谢物质动态应答的定量测定。目前，国内的代谢组学研究小组达成共识，以metabonomics来表示“代谢组学”。

代谢组学是一门研究生物体内源性代谢物质的种类、数量及其在内外因素作用下变化规律的学科，它是系统生物学的重要组成部分。相对于其他组学更能反映生物体的整体信息，因为代谢物处于生物系统生化活动调控的末端，反映的是已经发生的生物学事件，基因表达和蛋白质的变化对系统产生的影响都可在代谢物水平上得到体现。

2 代谢组学的研究内容

在代谢组学的研究过程中，代谢组学的一些相关概念也不断被提出来，目前已经获得广泛认同的研究层次分为4个。

2.1 代谢物靶标分析 代谢物靶标分析针对某一或某几种代谢物。例如，为了研究某基因改造后产生的主要影响，可以将研究限制在该基因编码的蛋白所作用的特定底物或者作用产生的直接产物上。

2.2 代谢轮廓分析 为了解释整个代谢途径或感兴趣的代谢途径的作用，不用看基因的改变对植物代谢所有途径的影响，只关注一定数量的预先确定的代谢产物。这些预先确定的代谢产物可能属于某一类化合物或只是某一类代谢途径所独有。

2.3 代谢指纹分析 代谢指纹分析不分离鉴定某一具体的单一组分，只要求得到某一生物体的代谢物图谱。在基因组学植物育种中，为了研究大量的品系，或者工业和临床上诊断的需要，须确定生物的每一种代谢物及其含量。这种方法的高通量的比较可以区分出不同的样品，用于分类等的研究。

2.4 代谢组学 在基因工程操作中一个基因的改变不止影响一条代谢途径，即由于某一基因变化引起的多效反应，可以使看起来并不相关的途径的代谢物水平发生变化。为了解这些效应，生物体中所有的代谢产物都要进行定性和定量研究，以全面反应所研究的生物系统的代谢组情况。

严格地讲，只有第4层次才是真正意义上的代谢组学研究，但是目前还没有发展出一种可以涵盖所有代谢物而不管分子大小和性质的代谢组学技术。

3 代谢组学研究技术的发展

3.1 样品制备和预处理 样品制备和预处理是代谢组学研究的初始步骤，也是最重要的步骤之一。在收集样品时需考虑收集的时间、部位、种类、样品群体等因素；在研究活体样本时，还需考虑饮食、性别、年龄和地域等诸多因素的影响。样品预处理对于代谢组学的分析具有至关重要的意义，不少研究工作聚焦在代谢组学的样品预处理上。例如，Alzweiri等[3]比较了不同有机试剂处理血液和尿液样品的效果，结果显示乙腈和丙酮去除血样中蛋白效果要高于甲醇和乙醇。Kind等[4]在尿液预处理上，考虑到生物酶的降解作用，采用尿素酶分解尿中含量很高的尿素，使一些被掩盖的信息表现出来。

3.2 代谢组学数据处理方法 代谢组学研究中通常运用统计分析方法，对采集的多维海量信息进行压缩降解和分析，得到有用信息。常用的统计模式识别方法有监督法和非监督法，其中主成分分析法和偏最小二乘法是最简单也是比较有效的模式识别方法。数据处理中一些新的方法开发和应用有力地推动了代谢组学的发展。

3.3 代谢组学仪器分析技术 代谢组学仪器分析技术主要有核磁共振(NMR)、质谱(MS)、色谱—质谱联用技术，以及多种分析平台的联合应用。

3.3.1 NMR技术 NMR是当前代谢组学研究中的主要分析技术，能完成代谢产物中大多数化合物的检测，可以满足代谢组学对尽可能多的化合物检测的目标，它所产生的波谱可检测血浆、尿液、胆汁等生物基质中具有特殊意义的微量物质的异常变化。活体磁共振波谱和磁成像等技术，能够无创、整体、快速地获得机体某一指定活体部位的NMR谱，直接鉴别和解析其中的化学成分。其中，液相色谱——核磁共振(LC-NMR)技术已经在代谢组学的研究中得到应用，Daykin等[5]利用该联用技术分析了血中脂蛋白的代谢产物，为心血管疾病的研究提供了依据。

3.3.2 MS技术 相对于NMR灵敏度低、检测动态范围窄等弱点，MS具有较高的灵敏度和专属性，可以实现对多个化合物的同时快速分析与鉴定。

3.3.3 色谱—质谱联用技术 色谱—质谱联用技术兼备色谱的高分离度、高通量及质谱的普适性、高灵敏度和特异性，越来越多的研究工作将色谱—质谱联用技术用于代谢组学研究。

3.3.4 多种分析平台的联合应用 每种分析平台都存在自身的局限性，如定性过程复杂、难以实现全部代谢物的定量分析及准确性不足等许多关键问题仍然有待解决。将多种分析技术的代谢组学数据进行整合，既可提供更全面的代谢物轮廓信息，使结果更完善，也使不同分析技术的结果得到互相验证，达到分析平台优势互补[6]。Naz等[7]采用多平台分析技术对大鼠血清样本进行了代谢组学的研究，找到了相关标志物。应用多个分析技术互补的代谢组学研究思路，还成功地应用于大鼠肺癌样本的分析，取得了显著的成效。

4 代谢组学的应用研究

4.1 生物学领域 目前研究得比较多的是微生物代谢组和植物代谢组。

4.1.1 微生物代谢组学 微生物代谢组学研究可应用于微生物表型分类、突变体筛选和微生物代谢途径研究等。在工业生产中，可以通过对微生物细胞内代谢物质的分析来实现对发酵过程的动态监测，以优化发酵条件。还可以通过微生物代谢工程的方法，得到更适合于规模化生产的菌株。

4.1.2 植物代谢组学 植物代谢组学研究可以通过对不同基因型、生态型植物代谢组的比较，研究基因的改变和环境的改变对植物代谢的影响；另外，通过代谢物指纹图谱的比较，可以进行代谢表型的分类。植物代谢组学研究中有代表性的是Taylor等利用GC/MS技术对不同基因型的拟南芥中433种代谢产物进行的分析，他们结合化学计量学的方法进行分类，确定了4种在分类中起较重要作用的物质：苹果酸、柠檬酸、葡萄糖及果糖[8]。

4.2 医药领域 主要涉及疾病诊断和药物开发等方面的代谢组学应用研究。

4.2.1 疾病诊断代谢组学 由于机体的病理变化，使得机体的代谢产物也产生了某种相应的变化。对这些由疾病引起的代谢产物的响应进行分析，能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径，有助于疾病的生物标记物的发现和辅助临床诊断的目的。代谢组学在疾病研究中的应用主要包括病变标记物的发现，疾病的诊断、治疗和预后的判断。目前代谢组技术已应用于脑瘤、前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌等引发的代谢物变化的体内检测，希望通过相应癌症代谢标记物的检测，对疾病的诊断和治疗提供新的方法和思路。

4.2.2 药物开发代谢组学 代谢组学在疾病动物模型的确证、药物筛选、药效及毒性评价和临床评价等方面有着广泛的应用。Nichol-son研究小组利用基于NMR的代谢组学技术，在药物的毒性评价方面做了大量的卓有成效的工作。其工作涵盖分析平台的建立、方法的重现性、基因改变及相应代谢响应的特性研究、化学计量学方法等。他们用代谢组学的方法判断药物毒性影响的组织器官及其位点，推测药物相关的作用机制，确定与毒性相关的潜在生物标记物，并在此基础上建立供毒性预测的专家系统以及毒物影响动物内源性代谢物随时间变化的轨迹。

4.3 其他领域 在农业方面，利用代谢组学技术能更快地寻找植物的功能基因，了解植物与环境的互作过程，加快农作物品质改良的进程；在食品方面，代谢组技术能用于食品的质量和营养价值的评价，因为食品的质量如外观、风味、气味、货架期，以及营养价值如维生素含量、抗氧化性和营养成分等都是食品中由代谢产物共同决定的；在资源环境方面，通过对微生物代谢组的研究，可以更好地利用微生物降解环境污染物。

5 展望

随着现代分析技术的快速发展以及数据处理软件的不断完善，代谢组学的发展将会更迅速，应用范围更广泛。临床疾病诊断、植物学、药物毒性评价和营养科学将从代谢指纹图谱研究中大大受益。此外，代谢组学技术还可用于微生物和植物表型的快速鉴定，并可以指导开发具有重要应用价值的新型代谢物。与人群流行病学研究相结合，代谢组学研究疾病全过程也将从系统生物学角度进一步推动阐明疾病机制，造福于人类。