代謝組學(xué)及其研究策略

1代謝組學(xué)及其研究策略歷史背景代謝組（Metabolome）：1998年Tweddale研究大腸桿菌代謝時(shí)首次提出，定義為“代謝物整體”，代謝物組成分析能夠提供細(xì)胞代謝和調(diào)控的重要信息。代謝組學(xué)（metabolomics/metabonomics）：1999年英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)Nicholson首先提出，定義為：對(duì)生物系統(tǒng)內(nèi)病理生理或基因改變等刺激所致動(dòng)態(tài)多參數(shù)代謝應(yīng)答的定量測(cè)定。將生物體作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的整體，研究?jī)?nèi)外因素導(dǎo)致的代謝變化，重點(diǎn)在于整體性和動(dòng)態(tài)性。Nicholson因其在代謝組學(xué)發(fā)展上的開(kāi)拓性貢獻(xiàn)，被學(xué)術(shù)界公認(rèn)為代謝組學(xué)創(chuàng)始人。代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組和蛋白組學(xué)之后新發(fā)展的一門學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)重要的組成部分。代謝組學(xué)的發(fā)展歷史系統(tǒng)生物學(xué)（Systemsbiology)：從系統(tǒng)水平來(lái)理解生物學(xué)系統(tǒng)，利用一系列的原理與方法學(xué)來(lái)研究分子行為與系統(tǒng)特性與功能關(guān)系，通過(guò)計(jì)算生物學(xué)來(lái)定量闡明和預(yù)測(cè)生物的功能，表型和行為。系統(tǒng)生物學(xué)將是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的核心驅(qū)動(dòng)力。系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代的代謝組學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)，是把孤立的在基因水平?蛋白水平的各種相互作用?各種代謝途徑?調(diào)控途徑等融合起來(lái)，用以說(shuō)明生物整體，高通量的組學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成了系統(tǒng)生物學(xué)的大科學(xué)工程。代謝組學(xué)代謝組學(xué)：生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及變化規(guī)律的科學(xué)。中心任務(wù)：檢測(cè)，量化和編錄生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其變化規(guī)律；聯(lián)系該變化規(guī)律與所發(fā)生的生物學(xué)事件或過(guò)程的本質(zhì)。狹義上講，是通過(guò)比較對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組代謝組，以尋找其代謝譜差異的研究方法。代謝組（metabolome）：基因組的下游最終產(chǎn)物，是一些參與生物體新陳代謝，維持生物體正常生長(zhǎng)功能和生長(zhǎng)發(fā)育的小分子化合物的集合，主要是相對(duì)分子量小于1000的內(nèi)源性小分子。影響人代謝狀態(tài)的內(nèi)部和外部因素，這些狀態(tài)可用代謝組測(cè)量①.快速、精準(zhǔn)地分析生物樣本中的某種或某類代謝物，從系統(tǒng)的角度來(lái)定量定性分析代謝物，解釋生命現(xiàn)象；②.客觀地揭示代謝物動(dòng)力學(xué)；③.在生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)中研究基因的功能和基本的代謝機(jī)制，及時(shí)準(zhǔn)確反映生物體的表型或生理狀態(tài)，揭示基因和表現(xiàn)型之間的關(guān)系，達(dá)到監(jiān)測(cè)和推斷基因功能的目的；④.鑒定基因突變和藥物處理后的分子標(biāo)志物；⑤.提示潛在的疾病相關(guān)代謝物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。紅色和綠色分別表示轉(zhuǎn)基因與野生型老鼠相比濃度增高和降低。連接線表示基因，蛋白質(zhì)或類脂之間的關(guān)聯(lián)

代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)(1)基因和蛋白表達(dá)的微小變化會(huì)在代謝物水平得到放大，研究相對(duì)簡(jiǎn)單；(2)代謝組學(xué)的研究不需進(jìn)行全基因組測(cè)序或建立大量表達(dá)序列標(biāo)簽的數(shù)據(jù)庫(kù)；(3)代謝物的種類遠(yuǎn)少于基因和蛋白的數(shù)目；(4)生物體液的代謝物分析可反映機(jī)體系統(tǒng)的生理和病理狀態(tài)。通過(guò)代謝組學(xué)研究既可以發(fā)現(xiàn)生物體在受到各種內(nèi)外環(huán)境擾動(dòng)后的應(yīng)答不同，也可以區(qū)分同種不同個(gè)體之間的表型差異。代謝產(chǎn)物是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物，在代謝酶的作用下生成。雖然與基因或蛋白質(zhì)相比，代謝產(chǎn)物較小，但是能形成代謝產(chǎn)物的細(xì)胞均是活細(xì)胞，因此代謝產(chǎn)物的研究越來(lái)越重要。研究人員通過(guò)對(duì)機(jī)體代謝產(chǎn)物的深入研究，可以判斷機(jī)體是否處于正常狀態(tài)，而對(duì)基因和蛋白質(zhì)的研究都無(wú)法得出這樣的結(jié)論。事實(shí)上，代謝組學(xué)研究已經(jīng)能診斷出一些代謝類疾病如糖尿病、肥胖癥，代謝綜合征。目前，已經(jīng)研究清楚的普通代謝途徑包括三羧酸循環(huán)（TCA）糖酵解，花生四烯酸（AA）/炎癥途徑。

根據(jù)研究對(duì)象和目的不同

代謝組學(xué)分為4個(gè)層次代謝物靶標(biāo)分析(metabolitetargetanalysis)對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)特定組分的分析。代謝輪廓(譜)分析(metabolicprofilinganalysis)對(duì)少數(shù)所預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的定量分析。代謝組學(xué)(metabonomics)對(duì)限定條件下的特定生物樣品中所有代謝組分的定性和定量。代謝指紋分析(metabolicfingerprintinganalysis)

不分離鑒定具體單一組分,而是對(duì)樣品進(jìn)行快速分類（如表型的快速鑒定）。研究范圍

研究過(guò)程前期中期后期采集足夠數(shù)量的樣本；充分考慮樣品收集的時(shí)間、部位、種類、樣本群體等；分析過(guò)程要有嚴(yán)格的質(zhì)量控制，如樣本重復(fù)性、分析精度、空白等；樣品主要是動(dòng)植物的細(xì)胞和組織的提取液；處理生物樣本最為常用的是冰凍/液氮降溫法及冷凍、干燥的保存技術(shù)。前期樣品制備

以臨床標(biāo)本為例處理尿液、血漿一般采用液液萃取法及固相萃取。

液液萃取利用有機(jī)溶劑分離和提取水相液體混合物中的組分；

固相萃?。⊿olidPhaseExtraction）就是利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附，與樣品的基體和干擾化合物分離，然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附，達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的。

細(xì)胞、組織則多采用超聲破碎提取。中期檢測(cè)中期檢測(cè)、分析與鑒定的主要技術(shù)手段是液相與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(LC-MS)氣相與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)核磁共振（NMR）

WebofScience的數(shù)據(jù)顯示，LC-MS是目前最主要的代謝組學(xué)分析平臺(tái)，其次為NMR，GC-MS使用相對(duì)較少.

質(zhì)譜技術(shù)（MS）：是將離子化的原子、分子或是分子碎片按質(zhì)量或是質(zhì)荷比(m/e)大小順序排列成圖譜,并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種無(wú)機(jī)物、有機(jī)物的定性或定量分析；新的離子化技術(shù)則使質(zhì)譜技術(shù)的靈敏度和準(zhǔn)確度均有很大程度的提高；聯(lián)用其它的一些分析技術(shù)

高效液相色譜儀(HPLC)、氣相色譜(GC)、高效毛細(xì)管電泳(HPCE)等。它們往往與NMR或MS技術(shù)聯(lián)用，進(jìn)一步增加其靈敏性。

液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）

靈敏度較高，檢測(cè)限為ppb（即十億分之一），可用于痕量分析；根據(jù)液相的柱效，可分為HPLC（高效液相色譜）和U(H)PLC（超高效液相色譜）；適用于分析熱穩(wěn)定性差、沸點(diǎn)較高、極性強(qiáng)、離子化的化合物；與GC-MS相比，LC-MS樣品處理簡(jiǎn)單、無(wú)需衍生化操作。

LC-MS根據(jù)電離方式不同，可分為2種

工作方式的質(zhì)譜電噴霧離子源(Electronsprayionization，ESI)可同時(shí)分析揮發(fā)性和非揮發(fā)性代謝產(chǎn)物，適用于離子型以及極性化合物的鑒定分析；靈敏度較高，能分析大分子量的化合物(分子量大于1000Da).大氣壓化學(xué)電離源(Atmosphericpressurechemicalionization，APCI)較ESI基質(zhì)效應(yīng)小，且受流動(dòng)相緩沖鹽影響較??；APCI主要分析非極性以及小分子的化合物（相對(duì)于用ESI電離的化合物而言）。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分離效能及靈敏度高、重現(xiàn)性好；分析樣品時(shí)需要進(jìn)行衍生化處理；只能分析易揮發(fā)且較穩(wěn)定的物質(zhì)；在代謝組學(xué)的研究中大多作為靶向性物質(zhì)的分析，亦或作為非靶向性代謝組學(xué)LC-MS的一種補(bǔ)充。三種電離方法電子轟擊電離（Electronimpact，EI）；正化學(xué)電離（Chemicalionization，CI）；負(fù)化學(xué)電離（Negativechemicalionization,NCI）

優(yōu)點(diǎn)①無(wú)損傷性,不破壞樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì).②可在一定的溫度和緩沖范圍內(nèi)進(jìn)行生理?xiàng)l件或接近生理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn).③與外界特定干預(yù)相結(jié)合,研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中機(jī)體化學(xué)交換、運(yùn)動(dòng)等代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律.④實(shí)驗(yàn)方法靈活多樣.但儀器價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用昂貴限制了該技術(shù)的進(jìn)一步普及。

核磁共振技術(shù)（NMR）利用高磁場(chǎng)中原子核對(duì)射頻輻射的吸收光譜鑒定化合物結(jié)構(gòu)的分析技術(shù),可用于體液或組織提取液和活體分析兩大類。

代謝組學(xué)3種主要分析平臺(tái)對(duì)比代謝物可以通過(guò)與對(duì)照樣品的比值進(jìn)行相對(duì)定量；通過(guò)添加標(biāo)準(zhǔn)參照物以及對(duì)代謝物進(jìn)行同位素標(biāo)記，可獲得絕對(duì)定量的代謝組數(shù)據(jù)集；獲得代謝組的定量數(shù)據(jù)集，可采用多種數(shù)據(jù)分析策略進(jìn)行代謝組數(shù)據(jù)分析；分析策略的基本原則是比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間代謝物水平差異，并利用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估這些差異的顯著性。代謝組數(shù)據(jù)采集與分析

代謝組學(xué)研究的后期需借助于生物信息學(xué)平臺(tái)

HumanMetabolomeDatabase:http://www.hmdb.ca/

Golm

MetabolomeDatabase:http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/csbdb/gmd/msri/gmd_sspq.htmlSpectralDatabaseforOrganicCompoundsSDBS:

http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgiMassBank:

http://www.massbank.jp/?lang=en單細(xì)胞質(zhì)譜分析方法

不同的細(xì)胞個(gè)體之間具有差異性；在相同條件下培養(yǎng)的同源細(xì)胞,它們?cè)谛螒B(tài)、基因表達(dá)水平以及生長(zhǎng)特性上都存在一定的差別；造成這些差別的便是細(xì)胞在新陳代謝過(guò)程中所發(fā)生的一些隨機(jī)過(guò)程；在細(xì)胞中所發(fā)生的隨機(jī)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞某些參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果存在多個(gè)穩(wěn)態(tài),而群體細(xì)胞的檢測(cè)結(jié)果只能給出這些穩(wěn)態(tài)的一個(gè)平均結(jié)果；代謝組學(xué)的研究中，經(jīng)常出現(xiàn)的另一個(gè)單詞Metabolomics就是專指細(xì)胞層次上的代謝組學(xué)研究。R.ZenobiScience2013;342:1243259A圖中的黑色和白色圓圈分別代表由同源細(xì)胞經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)后所產(chǎn)生的具有不同表型的子代細(xì)胞.B圖群體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和單細(xì)胞分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較為了如實(shí)地反映細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)生物系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)所起到的作用,就必須從單細(xì)胞水平上對(duì)細(xì)胞中物質(zhì)的組成和含量進(jìn)行分析研究；但是單細(xì)胞分析研究卻由于細(xì)胞的極小體積極多的物質(zhì)種類、極少的物質(zhì)含量以及不同物質(zhì)間顯著的濃度差異而一度受阻；質(zhì)譜是一種很適合于單細(xì)胞分析的檢測(cè)方法它具有極高的靈敏度、多物質(zhì)同時(shí)檢測(cè)的能力以及對(duì)所感興趣的分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定的能力。

不同離子化方法造就了不同的單細(xì)胞質(zhì)譜分析方法

主要包括電噴霧/納噴霧離子化(electrospray/nano-electrosprayionization,ESI/Nano-ESI)、激光剝蝕/激光解吸附離子化(laserablation/laserdesorptionionization,LA/LDI)二次離子電離(secondaryionizationmassspectrometry,SIMS)等.這些離子化方法能對(duì)不同種類的物質(zhì)進(jìn)行離子化,如蛋白質(zhì)、多肽、酯類、小分子代謝物以及元素等；單細(xì)胞質(zhì)譜分析無(wú)需標(biāo)記,且能夠進(jìn)行多組分的同時(shí)分析。代謝組學(xué)的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)不斷整合的過(guò)程。內(nèi)部整合：指的是對(duì)代謝組學(xué)研究中所用到的技術(shù)手段的整合，研究對(duì)象的整合，它的目的是為了實(shí)現(xiàn)代謝組學(xué)的全面性。外部整合：代謝組學(xué)與蛋白質(zhì)組、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及其它組學(xué)之間的交叉組合，是增強(qiáng)代謝組學(xué)研究系統(tǒng)性的整合，是整體系統(tǒng)生物學(xué)研究的必然要求。聯(lián)合運(yùn)用多種分析檢測(cè)手段及數(shù)據(jù)處理方法對(duì)多種不同來(lái)源的生物樣本進(jìn)行同時(shí)分析是代謝組學(xué)內(nèi)部整合的主要內(nèi)容。這種全面性檢測(cè)是單一檢測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。代謝組學(xué)整合化發(fā)展概況內(nèi)部整合I檢測(cè)技術(shù)整合技術(shù)整合可整合成熟的應(yīng)用技術(shù)，也可整合新研發(fā)技術(shù)。多項(xiàng)技術(shù)或多種檢測(cè)器在線組合或平行聯(lián)用可顯著增強(qiáng)單個(gè)生物樣本中不同極性，不同相對(duì)分子質(zhì)量代謝物的分析，降低定量限。發(fā)揮每種分析手段的優(yōu)勢(shì)，有助于了解更多化合物信息，找到更多關(guān)鍵化合物，獲取其生物學(xué)意義。（1）在線聯(lián)合質(zhì)譜及共聯(lián)用技術(shù)（MS、LC-MS、GC-MS、CE-MS）與核磁共振（NMR）是代謝組學(xué)研究中常用的分析技術(shù)，各有其應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)。HPLC-DAD-MS-SPE-NMR通過(guò)自連接MS與NMR接口，構(gòu)成了在線組合系統(tǒng)，集合了三種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，克服了各種技術(shù)單獨(dú)使用時(shí)的缺陷，能夠提供綜合的機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)。硬件：BrukerAVANCEIII600MHz

核磁共振波譜儀、

Agilent1200

液相色譜系統(tǒng)、BrukermicroOTOF-QII高分辨電噴霧四級(jí)桿飛行質(zhì)譜儀、Bruker/spark固相萃取系統(tǒng)、LC-SPE-NMR-MS聯(lián)用附件等組成。特點(diǎn)：①.對(duì)代謝物和小分子物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析；②.一次進(jìn)樣得到代謝物的UV、分子量及NMR結(jié)果信息，效率高；③.能夠監(jiān)測(cè)代謝物的動(dòng)態(tài)變化；④.能夠進(jìn)行大批量樣品檢測(cè)⑤.系統(tǒng)內(nèi)各儀器之間能自由組合使用，靈敏度高。①.小分子結(jié)構(gòu)鑒定及定量分析核磁共振波譜能夠提供化合物內(nèi)部各原子核的化學(xué)位移、自旋耦合裂分方式及峰積分面積，NOE信息、標(biāo)量耦合信息等豐富的結(jié)構(gòu)信息，因而常用進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定和構(gòu)型確定。TargetAnalysis可以全自動(dòng)地提取并識(shí)別目標(biāo)化合物的離子色譜圖，同時(shí)通過(guò)質(zhì)量準(zhǔn)確度、同位素分布模式、保留時(shí)間等對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行鑒定。目標(biāo)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法和流程，可用于自建目標(biāo)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)。②.代謝物定性測(cè)定及定量分析

1H-NMR對(duì)生物體系代謝混合物中的含氫化合物均有響應(yīng)，能完成對(duì)樣品中大多數(shù)代謝物的定性和定量分析，具有較高的靈敏度和較好的重復(fù)性，多用于代謝物指紋圖譜分析和尋找樣品間的顯著差異代謝物。

主要應(yīng)用③.生物大分子結(jié)構(gòu)解析及其與配體的相互作用研究

NMR技術(shù)可以在更接近生理環(huán)境的狀態(tài)下對(duì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和相互作用進(jìn)行研究。NMR能夠提供生物大分子的豐富動(dòng)力學(xué)信息包括弛豫速率、化學(xué)交換、結(jié)合強(qiáng)度、構(gòu)象變化等，可用于研究生物大分子與藥物小分子或生物大分子之間的相互作用方式、相互作用位點(diǎn)等。（2）平行聯(lián)用內(nèi)部整合II多種樣本的整合分析生物樣本多種多樣，包括體液、組織、細(xì)胞及其它，每種樣本含有的代謝物信息映射出研究對(duì)象的生理狀況。內(nèi)部整合III數(shù)據(jù)處理方法整合運(yùn)用代謝組學(xué)數(shù)據(jù)具有高噪聲、高維、小樣本、高變異性等特征。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化、即中心化和尺度化，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。需要根據(jù)具體的目的、數(shù)據(jù)類型及選用的統(tǒng)計(jì)方法綜合考慮，選擇恰當(dāng)預(yù)處理方式。①.

實(shí)驗(yàn)室特定數(shù)據(jù)庫(kù)：可存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法和原數(shù)據(jù)，所含信息非常詳細(xì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)格式輸出數(shù)據(jù)給其它數(shù)據(jù)庫(kù)。②.物種數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)與某一物種相關(guān)的，已報(bào)道的，相對(duì)簡(jiǎn)單的代謝物圖譜，可為其它實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)源。③.通用代謝譜：存儲(chǔ)通用的代謝標(biāo)準(zhǔn)譜，包含很多物種在不同的生理狀況下已報(bào)道的代謝譜，可用于不用數(shù)據(jù)庫(kù)，不同代謝組學(xué)研究平臺(tái)之間的比較。④.特定物種的已知代謝物庫(kù)：基于特定物種，已觀測(cè)到的，在不同生理狀態(tài)下檢測(cè)到的代謝物。⑤.已知代謝物庫(kù)：不針對(duì)具體物種，所有檢測(cè)到的代謝物，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以單個(gè)生物水平進(jìn)行，也可按其它分類方法。⑥.標(biāo)準(zhǔn)生物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)：其提供的是已有的生物化學(xué)信息，大部分來(lái)自文獻(xiàn)，常用的有KEGG，ExPASy等。⑦.代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：理想化的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)可應(yīng)全面，量化，可隨著分析技術(shù)的發(fā)展，收錄新的格式數(shù)據(jù)，并和平行組學(xué)的對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兼容。代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)整合建設(shè)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析示例外部整合代謝組學(xué)最終要建立起該領(lǐng)域的專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，并與其它組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)相互整合，找出基因變異，蛋白表達(dá)和代謝擾到之間的內(nèi)在聯(lián)系，提升代謝組學(xué)在藥物和疾病領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值。除了適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫(kù)外，更需要先進(jìn)的數(shù)學(xué)分析方法?；贕eneOntology的整合生物信息數(shù)據(jù)平臺(tái)（BioDW）能將多種異構(gòu)的，分散的生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)集成到統(tǒng)一模式的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)生物數(shù)據(jù)智能化。代謝組學(xué)整合化分析流程病變標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)；疾病的診斷；治療和預(yù)后的判斷；機(jī)體的病理變化使得機(jī)體的代謝產(chǎn)物產(chǎn)生某種相應(yīng)的變化,對(duì)這些由疾病引起的代謝產(chǎn)物的響應(yīng)進(jìn)行分析,即代謝組學(xué)分析；能夠幫助人們更好地理解病變過(guò)程及機(jī)體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑,有助于疾病的生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)和輔助臨床診斷的目的。一、疾病研究1.糖尿病代謝組學(xué)技術(shù)是研究Ⅱ型糖尿病和胰島素抵抗的有力工具，它能夠識(shí)別那些常規(guī)方法無(wú)法識(shí)別的代謝產(chǎn)物。檢測(cè)血清脂肪酸代謝狀況可快速診斷2型糖尿病。對(duì)Ⅱ型糖尿病人尿液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了馬來(lái)酸(Maleicacid)、氧基乙酸(Oxylacetic

acid)、4-氨基苯甲酸(4-Aminobenzoicacid)等與Ⅱ型糖尿病有關(guān)的潛在生物標(biāo)志物。2.肝病利用LC-MS鑒定到5個(gè)慢性乙型肝炎引發(fā)的急性肝衰的診斷標(biāo)志物。3.心血管疾病對(duì)急性心肌缺血患者的血漿進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了32個(gè)與疾病相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物。4.腎病綜合征不進(jìn)行腎活檢的情況下應(yīng)用代謝組學(xué)的手段鑒別出各型原發(fā)性腎病綜合征患者尿或血中含量具有差異的一種或多種小分子代謝產(chǎn)物為診斷和治療原發(fā)性腎病綜合征提供了新思路。

5.腫瘤檢測(cè)腫瘤組織的代謝改變例如高濃度的乳酸與疾病早期階段的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移發(fā)生率相關(guān)；鑒定腫瘤相關(guān)的代謝標(biāo)志物采用代謝組學(xué)分析代謝網(wǎng)絡(luò)，有助于發(fā)現(xiàn)腫瘤治療的新靶點(diǎn)；腫瘤的早期診斷及分期代謝組學(xué)技術(shù)可以較準(zhǔn)確區(qū)分出腫瘤患者血液和健康人血液的差異，且假陽(yáng)性率較低，現(xiàn)已通過(guò)分析血清或腫瘤組織的代謝譜，用于卵巢癌的臨床診斷過(guò)程。腫瘤的個(gè)體化治療及預(yù)后(1).可以對(duì)手術(shù)治療預(yù)后進(jìn)行評(píng)價(jià).

(2).藥物代謝組學(xué)技術(shù)將有助于腫瘤患者化療藥物的個(gè)體化治療及療效評(píng)估.(3).

可用于術(shù)后療效監(jiān)測(cè).

例如：順鉑是一種廣泛應(yīng)用的抗腫瘤藥物，但有嚴(yán)重的腎毒性，可利用用藥前的代謝譜差異，來(lái)預(yù)測(cè)用藥后可能發(fā)生的毒性反應(yīng)。二、藥物研發(fā)

疾病動(dòng)物模型（包括轉(zhuǎn)基因動(dòng)物）的確證；藥物篩選；藥效及毒性評(píng)價(jià)；作用機(jī)制和臨床評(píng)價(jià)。三、在毒理學(xué)中的應(yīng)用代謝組技術(shù)可以直接反映毒物對(duì)機(jī)體的影響；采集機(jī)體尿液或血液，利用代謝組技術(shù)分析毒物作用后代謝物組成變化，可以無(wú)損傷性的評(píng)估目標(biāo)器官的受損程度。四、在酶功能研究中的應(yīng)用代謝組學(xué)研究方法可以對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)中的酶功能進(jìn)行有效的整體性分析酶通過(guò)催化特異底物生成產(chǎn)物來(lái)調(diào)節(jié)生物變化過(guò)程，鑒定內(nèi)源性底物可推知體內(nèi)酶的功能。代謝組技術(shù)研究酶功能有兩種策略：

代謝物指紋印跡分析以及代謝物發(fā)掘

可以進(jìn)行已知酶的新活性研究，也可以研究未知酶五、植物代謝組學(xué)(1)某些特定種類(species)植物的代謝物組學(xué)研究。

這類研究通常以某一植物為對(duì)象，選擇某個(gè)器官或組織，對(duì)其中的代謝物進(jìn)行定性和定量分析。(2)不同基因型(genotypes)植物的代謝物組學(xué)表型研究。

一般需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的同種植物(包括正常對(duì)照和基因修飾植物)，然后應(yīng)用代謝物組學(xué)對(duì)所研究的不同基因型的植物進(jìn)行比較和鑒別。(3)某些生態(tài)型(ecotypes)植物的代謝物組學(xué)。

這類研究通常選擇不同生態(tài)環(huán)境下的同種植物，研究生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)植物代謝物產(chǎn)生的影響。(4)受外界刺激后植物自身免疫應(yīng)答。六、微生物代謝組學(xué)微生物表型分類；突變體篩選；代謝途徑及微生物代謝工程；發(fā)酵工藝的監(jiān)控和優(yōu)化；微生物降解環(huán)境污染物。

七、臨床營(yíng)養(yǎng)研究營(yíng)養(yǎng)素和膳食干預(yù)研究確立干預(yù)的作用機(jī)理以及怎樣影響代謝途徑。膳食標(biāo)志物的研究基于NMR代謝組學(xué)的研究已可鑒定出人類在進(jìn)食肉類后具有特征性的代謝相關(guān)標(biāo)記物。飲食相關(guān)疾病的研究例如支鏈氨基酸與胰島素抵抗和Ⅱ型糖尿病之間存在相關(guān)性。代謝是生命活動(dòng)的基本特征之一。生物體內(nèi)各種物質(zhì)按一定規(guī)律不斷地進(jìn)行新陳代謝.有機(jī)體在物質(zhì)代謝過(guò)程中伴隨著能量的釋放，轉(zhuǎn)換利用，故稱為能量代謝，細(xì)胞的主要能量來(lái)自于糖代謝，脂肪代謝和氨基酸代謝等。正常細(xì)胞中，葡萄糖主要通過(guò)糖酵解和氧化磷酸化（oxidativephosphorylation，oxphos)來(lái)提供能量。疾病導(dǎo)致機(jī)體病理生理過(guò)程變化，最終引起代謝產(chǎn)物發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò)對(duì)某些代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，并與正常人的代謝產(chǎn)物比較，尋找疾病的生物標(biāo)記物，將提供一種較好的疾病診斷方法。腫瘤代謝組學(xué)

1931年，德國(guó)生理學(xué)家?jiàn)W托?瓦博格因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)細(xì)胞代謝關(guān)鍵的酶而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。

“瓦博格效應(yīng)”，19世紀(jì)20年代瓦博格提出，腫瘤細(xì)胞之所以比正常細(xì)胞生長(zhǎng)快，因?yàn)槠渲饕揽刻墙徒馔緩?，而不是有氧代謝途徑消耗更多葡萄糖，但產(chǎn)生的ATP數(shù)量比較少。

腫瘤的形成涉及多基因突變，是多步驟的病理變化過(guò)

程。代謝重塑是其顯著特征。腫瘤需要能量代謝重組來(lái)維持能量供給與需求平衡，腫瘤細(xì)胞重組的能量代謝包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、逆向Warburg效應(yīng)和截?cái)嗟娜人嵫h(huán)。葡萄糖、脂肪酸、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝對(duì)腫瘤細(xì)胞至關(guān)重要，且與腫瘤患者的不良預(yù)后有關(guān)。有氧糖酵解、谷氨酰胺分解代謝活躍等區(qū)別于正常細(xì)胞的能量代謝模式，滿足了腫瘤細(xì)胞快速生長(zhǎng)和增殖對(duì)于ATP、大分子合成原材料及NADH/NADPH等還原當(dāng)量的需求，也為腫瘤藥物開(kāi)發(fā)及治療提供了理想靶點(diǎn)。腫瘤內(nèi)存在富氧區(qū)域以及乏氧區(qū)域，乏氧區(qū)腫瘤細(xì)胞主要通過(guò)糖酵解方式產(chǎn)能，并釋放乳酸；富氧區(qū)腫瘤細(xì)胞則主要通過(guò)氧化磷酸化方式，部分通過(guò)糖酵解方式產(chǎn)能。糖酵解與氧化磷酸化兩者之間互相協(xié)調(diào)，產(chǎn)生“代謝共生?！备谎鯀^(qū)的腫瘤細(xì)胞可以攝取乏氧區(qū)腫瘤細(xì)胞糖酵解產(chǎn)生的乳酸，并以乳酸為原料用于氧化磷酸化產(chǎn)能，支持自身細(xì)胞生存。腫瘤細(xì)胞間的這一通過(guò)乳酸穿梭方式維持代謝穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象稱之為“代謝共生?！贝x改變促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、抑制細(xì)胞凋亡、誘導(dǎo)腫瘤血管形成，腫瘤干細(xì)胞生成，最終可導(dǎo)致治療抵抗、腫瘤進(jìn)展以及預(yù)后不良。

腫瘤細(xì)胞有氧糖酵解途徑1.1線粒體損傷。線粒體形態(tài)和代謝在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）與核DNA（nuclearDNA，nDNA）可編碼蛋白，維持線粒體功能。微小RNA（microRNA，miRNA）能夠調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)的信號(hào)通路，從而影響細(xì)胞內(nèi)的能量代謝。線粒體失功能與異常增加的線粒體復(fù)制有關(guān)，其機(jī)制是線粒體單鏈DNA連接蛋白的過(guò)表達(dá)。線粒體滲透性轉(zhuǎn)變可以抑制線粒體功能，促進(jìn)腫瘤“Warburg效應(yīng)”。細(xì)胞代謝對(duì)比：正常細(xì)胞依賴氧化磷酸化，腫瘤細(xì)胞依賴糖酵解和谷氨酰胺代謝致癌的糖酵解代謝代謝關(guān)鍵酶的變化1.2腫瘤細(xì)胞的高糖酵解活性涉及糖酵解酶、葡萄糖過(guò)表達(dá)及線粒體氧化磷酸化（oxidativephosphorylation，OXPHOS）酶系低表達(dá)。果糖-1，6二磷酸酶缺失、異檸檬酸脫氫酶突變、代謝關(guān)鍵酶如琥珀酸脫氫酶、延胡索酸水合酶、丙酮酸激酶和異檸檬酸脫氫酶的突變或表達(dá)異常均與腫瘤發(fā)生相關(guān)。1.3缺氧微環(huán)境大多數(shù)的腫瘤組織常因血管異常而存在急性或慢性缺氧。然而，即使是在氧供應(yīng)充足的條件下，腫瘤細(xì)胞仍表現(xiàn)出較高的糖酵解率。1.4基因組的變化基因突變影響一些信號(hào)通路可調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞能量代謝。許多癌基因和抑癌基因均調(diào)控了這個(gè)過(guò)程。BRAF基因是代謝穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)者，通過(guò)減弱OXPHOS過(guò)程誘導(dǎo)生物能量對(duì)腫瘤快速增殖的適應(yīng)。抑癌基因SIRT6可以調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，也可以改變MYC基因的轉(zhuǎn)錄活性以調(diào)節(jié)核糖體的代謝。腫瘤抑制基因SIRT3的缺失可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞中ROS和HIF蛋白的異常增加，后者可引起腫瘤細(xì)胞內(nèi)的代謝重組和葡萄糖需求的增加。線粒體中富含腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白1（TRAP1）可以調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞氧化磷酸化和有氧糖酵解的轉(zhuǎn)換。Cancercell:myc失調(diào)促進(jìn)代謝重編程和腫瘤發(fā)生還需一因子當(dāng)Myc發(fā)生功能失調(diào)，能夠在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)細(xì)胞代謝進(jìn)行重編程，促進(jìn)腫瘤形成。癌基因myc需要myc超家族成員，營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子mondoA作用共同促進(jìn)腫瘤發(fā)生。通過(guò)對(duì)mondoA或與其發(fā)生二聚化的mix進(jìn)行敲低，能夠阻斷myc誘導(dǎo)的多條代謝途徑重編程，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡發(fā)生。再對(duì)myc和mondoA共調(diào)控的基因進(jìn)行鑒定和敲低，研究人員發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)合成對(duì)維持myc驅(qū)動(dòng)的腫瘤存活具有非常重要作用。通過(guò)對(duì)臨床腫瘤病人研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)myc和mondoA共調(diào)控基因的過(guò)表達(dá)與許多癌癥病人的不良狀況都具有相關(guān)性。myc和mondoA能夠?qū)δ[瘤代謝進(jìn)行共同調(diào)節(jié)，因此，抑制mondoA及其靶基因或可成為治療腫瘤的一條有效途徑。map05230（Centralcarbonmetabolismincancer）腫瘤細(xì)胞也可通過(guò)谷氨酰胺分解（glutaminolysis）實(shí)現(xiàn)合成代謝的目的，而無(wú)需呼吸鏈過(guò)程。除了對(duì)糖酵解的依賴外，腫瘤細(xì)胞也需要谷氨酰胺。和葡萄糖一樣，谷氨酰胺也是一種回補(bǔ)物質(zhì)，它可以為Krebs循環(huán)(KrebsCycle，三羧酸循環(huán))提供草酰乙酸等能源性前體物質(zhì)。由于糖酵解和谷氨酰胺代謝(glutaminolysis)提升了細(xì)胞內(nèi)的碳通量，造成Krebs循環(huán)前體中間物的聚集，從而激活另一條代謝通路磷酸戊糖途徑(PentosePhosphatePathway)。磷酸戊糖途徑可以產(chǎn)生大量NADPH，這可以還原谷胱甘肽的，從而緩解細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激水平。此外，磷酸戊糖途徑可以產(chǎn)生大量核糖-5-磷酸，后者是核酸生物合成必需的構(gòu)件分子。谷氨酰胺代謝腫瘤細(xì)胞的能量產(chǎn)生過(guò)程和潛在抑制靶點(diǎn)正常細(xì)胞ATP的來(lái)源和用途腫瘤細(xì)胞的ATP和能量來(lái)源面對(duì)化療和放療所帶來(lái)的遺傳毒性應(yīng)激，腫瘤需要適應(yīng)這種環(huán)境并開(kāi)啟自我防御機(jī)制，其中包括藥物外排、DNA損傷修復(fù)、生存相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)、抗凋亡和胞內(nèi)存活信號(hào)通路激活，這一系列生命活動(dòng)均需要大量持續(xù)ATP供給。上述任何一種適應(yīng)/防御策略均需要與ATP產(chǎn)生相關(guān)通路交聯(lián)，例如有氧糖酵解/谷氨酰胺代謝/磷酸戊糖途徑。然而，這些代謝通路的產(chǎn)能效率遠(yuǎn)低于氧化磷酸化。如果ATP需求大于了供給，就會(huì)出現(xiàn)一種“能量赤字”，此時(shí)腫瘤會(huì)有三種應(yīng)對(duì)策略：提升ATP產(chǎn)量、通過(guò)