基本介紹
- 中文名：代謝組學
- 外文名：metabonomics
- 效仿：基因組學和蛋白質組學的研究思想
- 分析：生物體內所有代謝物
- 所屬：系統生物學
- 研究方式：代謝物與生理病理變化的相對關係
學科歸類,研究範圍,發展史,研究方法,發展前景,疾病診斷,醫療套用,專家感言,
學科歸類
代謝組學是繼基因組學和蛋白質組學之後新近發展起來的一門學科，是系統生物學的重要組成部分。之後得到迅速發展並滲透到多項領域，比如疾病診斷、醫藥研製開發、營養食品科學、毒理學、環境學，植物學等與人類健康護理密切相關的領域。基因組學和蛋白質組學分別從基因和蛋白質層面探尋生命的活動，而實際上細胞內許多生命活動是發生在代謝物層面的，如細胞信號釋放（cell signaling），能量傳遞，細胞間通信等都是受代謝物調控的。代謝組學正是研究代謝組（metabolome）——在某一時刻細胞內所有代謝物的集合——的一門學科。基因與蛋白質的表達緊密相連，而代謝物則更多地反映了細胞所處的環境，這又與細胞的營養狀態，藥物和環境污染物的作用，以及其它外界因素的影響密切相關。因此有人認為，“基因組學和蛋白質組學告訴你什麼可能會發生，而代謝組學則告訴你什麼確實發生了。”（Bill Lasley, UC Davis）
代謝組學的概念來源於代謝組，代謝組是指某一生物或細胞在一特定生理時期內所有的低分子量代謝產物，代謝組學則是對某一生物或細胞在一特定生理時期內所有低分子量代謝產物同時進行定性和定量分析的一門新學科 (Goodacre，2004)。它是以組群指標分析為基礎，以高通量檢測和數據處理為手段，以信息建模與系統整合為目標的系統生物學的一個分支。
The concept that individuals might have a "metabolic profile" that could be reflected in the makeup of their biological fluids was introduced by Roger Williams in the late 1940s, who used paper chromatography to suggest characteristic metabolic patterns in urine and saliva were associated with diseases such asschizophrenia. However, it was only through technological advancements in the 1960s and 1970s that it became feasible to quantitatively (as opposed to qualitatively) measure metabolic profiles. The term "metabolic profile" was introduced by Horning, et al. in 1971 after they demonstrated that gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) could be used to measure compounds present in human urine and tissue extracts. The Horning group, along with that of Linus Pauling and Arthur B. Robinson led the development of GC-MS methods to monitor the metabolites present in urine through the 1970s.
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研究範圍
代謝組學主要研究的是作為各種代謝路徑的底物和產物的小分子代謝物（MW<1000）。 在食品安全領域，利用代謝組學工具發現農獸藥等在動植物體內的相關生物標誌物也是一個熱點領域。其樣品主要是動植物的細胞和組織的提取液。主要技術手段是核磁共振（NMR），質譜（MS），色譜（HPLC，GC）及色譜質譜聯用技術。通過檢測一系列樣品的NMR 譜圖，再結合模式識別方法，可以判斷出生物體的病理生理狀態，並有可能找出與之相關的生物標誌物（biomarker）。為相關預警信號提供一個預知平台。
發展史
代謝組學 （metabolomics）的出現是生命科學研究的必然。在20世紀90年代中期發展起來的代謝組學，是對某一生物或細胞中相對分子量小於1,000的小分子代謝產物進行定性和定量分析的一門新學科。代謝組作為系統生物學的重要組成部分，在臨床醫學領域具有廣泛的套用前景。
研究人員通過對機體代謝產物的深入研究，可以判斷機體是否處於正常狀態，而對基因和蛋白質的研究都無法得出這樣的結論。事實上，代謝組學研究已經能診斷出一些代謝類疾病，如糖尿病、肥胖症，代謝綜合症。目前，已經研究清楚的普通代謝途徑包括三羧酸循環（TCA），糖酵解，花生四烯酸 （AA）/炎症途徑。
研究方法
對於代謝產物來說，不僅只有質譜峰這個特徵。更進一步說，質譜（MS）並不能檢測出所有的代謝產物，並不是因為質譜的靈敏度不夠，而是由於質譜只能檢測離子化的物質，但有些代謝產物在質譜儀中不能被離子化。採用核磁共振（NMR）的方法，可以彌補色譜的不足。劍橋大學的Jules Griffin博士，正在使用質譜與核磁共振結合的方法，試圖建立機體中的完整代謝途徑圖譜。Griffin用核磁共振檢測高豐度的代謝產物，由於核磁共振檢測的靈敏度不高，所以只用於分析低豐度代謝產物。
過去，只有毒理學方面的研究使用核磁共振，而質譜只在植物代謝研究中採用。如今，這兩種方法在代謝組學研究中已經普遍使用。為在不同樣品間進行有意義的比較，研究人員必須結合使用這兩種方法獲得的大量數據進行分析。此外，還需要結合基因組學研究獲得的數據。
Gary Siuzdak博士在美國克利普斯研究院（TSRI）從事生物信息學問題的研究，他設計了一個分析來自不同樣品代謝產物變化的實驗方案。研究人員可以通過生物信息學軟體XEMS比較不同的數據，從而識別出代謝產物。軟體提供了所有代謝產物的分子量數據，這些代謝產物濃度因不同的個體而變化。公眾可以從網上免費獲取這些數據。
Siuzdak博士表示，他們正採用綜合研究的方法進行代謝組學研究，試圖檢測出儘可能多的代謝產物，超越人們過去使用方法所能達到的目標。通過個體研究，希望能在一定程度上識別出與應激有關的新分子，這些應激物可能是一種疾病，一種敲除酶，或者是其他的物質。
發展前景
更好的“組學”？
代謝組學是繼基因組學、蛋白質組學、轉錄組學後出現的新興“組學”,自1999年以來，每年發表的代謝組學研究的文章數量都在不斷增加。從表面上看，代謝組學的發展很迅速，但是仍然遠遠落後於基因組學和蛋白質組學。“我們還在期待著重大發現”，Griffin博士解釋說，在Nature上發表的那些文章，讓人們對代謝組學充滿了期待：尋找一種新的生物標記物，發現一條新的代謝途徑，或更深入的了解目前已知的這些途徑。
儘管還沒有經典論文出現,但是研究人員相信，與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學將在臨床上發揮更大的作用。許多公司通過市場研究發現，健康人並不希望進行基因型分析，所以，對於這些人群來說，基因組學研究在臨床上的套用很有限。而代謝組學與臨床化學較為相似，且相對於基因組學來說，提供的個人信息更少，故其在臨床上的套用有可能產生一定的影響。較低的費用，是促使代謝組學在臨床上易於接受的另一個原因。Griffin博士指出，與其他“組學”研究相比，代謝組學的費用更低，研究人員可以通過代謝組學研究篩檢出代謝產物，然後採用更昂貴的基因組學和蛋白質組學的方法對有意義的代謝產物進一步加以研究。首先，必須識別出代謝產物，這並不是簡單的工作。Siuzak博士認為，代謝組學研究最大的挑戰就在於對代謝產物的識別，這也是最有趣的方面，而更具挑戰性的工作，是進一步確認所有代謝物的功能。此外，質譜分析發現，代謝產物的同質性不高，由於缺乏均勻性，使色譜分析變得更加困難，無法識別出樣品中的未知物質。
疾病診斷
與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學的研究側重於相關特定組分的共性，最終是要涉及研究每一個代謝組分的共性、特性和規律，目前據此目標相距甚遠。儘管充滿了挑戰，研究人員仍然堅信，與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學與生理學的聯繫更加緊密。疾病導致機體病理生理過程變化，最終引起代謝產物發生相應的改變，通過對某些代謝產物進行分析，並與正常人的代謝產物比較，尋找疾病的生物標記物，將提供一種較好的疾病診斷方法。
醫療套用
代謝組學研究人員已經對此進行了研究。新生兒是否缺失酶基因，可以在出生時就檢測出來。可檢測出包括涉及合成途徑中的基本成分（如胺基酸）的酶。酶缺失的結果就是相應的代謝產物過少或過多。苯丙酮尿症（PKU）是一種常見的嬰兒疾病。這種疾病是由於缺失將苯丙氨酸水解成酪氨酸所必須的苯丙氨酸水解酶基因，導致血液中苯丙氨酸累積造成的。若是不能及時檢測出這種天生的代謝缺乏，在嬰兒出生後九個月內，就會引起無法挽救的大腦損傷。這種疾病通過簡單的血樣和尿素化驗就可以確診。而血樣和尿素化驗以後也將成為代謝指紋研究方法的一部分。像苯丙酮尿症那樣的疾病，研究人員正試圖從疾病的生物化學基礎著手，而不是僅僅檢測生物標記物。他們希望通過代謝組學，可以找到更好的方法去治療這些疾病。
專家感言
Siuzdak博士對於代謝組學持樂觀而現實的態度。“代謝組學還只是在初生階段”，他解釋說，如果我們能夠了解代謝產物的5~10%，就很幸運了。若是這樣考慮的話，現實就是，我們對這些分子的作用仍然一無所知。但是，相信隨著其方法的不斷完善和最佳化，代謝組學研究必將成為人類更高效、準確地診斷疾病的一種有力手段。
