代谢组学及相关技术的应用研究进展

袁芳芳，王永兴，杨 琳

(1.华南农业大学动物科学学院，广东广州 510642；2.广东天农食品有限公司；3.华南农业大学动物科学学院)



代谢组学及相关技术的应用研究进展

袁芳芳1，王永兴2，杨 琳3*

(1.华南农业大学动物科学学院，广东广州 510642；2.广东天农食品有限公司；3.华南农业大学动物科学学院)

代谢组学又称代谢物组学，是研究机体代谢产物谱变化的一种新系统方法，借助高通量、高灵敏度与高精确度的现代分析技术，分析细胞、组织和其它生物样本，如血液、尿液、唾液和体液中内源性代谢物整体组成并通过其复杂、动态变化，从整体上反应代谢物图。代谢产物的分离、检测及分析鉴定是代谢组学技术的核心部分，分离技术包括气相色谱(GC)、液相色谱(LC)和毛细管电泳(CE)；常用的检测和鉴定技术有核磁共振、质谱、光谱、电化学(EC)等；采取一系列的数学和统计学方法获得足够有用的信息；最常用的分析方法是主成分分析法(PCA)，将一组分散于变量上的信息集中于几个综合指标上，其他常用的模式识别技术有偏最小二乘聚类分析、正交偏最小二乘聚类分析等。

自从发现了必需营养素和主要代谢产物后，营养学家们一直在努力探索人类营养代谢的真相。传统的营养支持主要是为营养不良患者提供营养素。传统营养学研究认为，营养素对代谢的影响是通过研究单一的营养素引起的某种酶或基因等生物学反应而获得，无法在一个实验中同时获得多种营养素全貌，只是将多种营养素的代谢作用简单汇总，并未考虑到各种营养物质间的相互作用，具有一定的片面性[1-2]。

随着生命科学逐渐进入后基因组时代，营养支持的研究亦有传统内容和方法扩大至营养基因组学和营养蛋白质组学[3]。代谢组学是蛋白质组、转录组和基因组总体表达的结果，直接反映组织的生化状态，能比较灵敏地刻画动物机体的生理、病理的各种变化，对阐明生命活动的复杂体系具有极为重要的意义[4]。

1 代谢组学的含义及与其他组学的比较

1.1 代谢组学 代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的一门对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科[5]。

随着人类基因组测序工作的完成，人们对生命过程的理解有了很大提高，研究的热点已转移到基因的功能及“组学”研究，包括研究生物整个基因组的基因组学，研究某一生物或细胞所有基因表达的RNA(如mRNA)进行全面分析的转录组学和对某一种生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质进行定性和定量分析的蛋白质组学，研究代谢产物变化及代谢途径的代谢组学[6-7]。

代谢组学作为一门新发展的技术，所研究的是相对分子质量在1000以下的小分子，对低分子量的代谢产物进行定性和定量分析，以检测活细胞中化学变化的科学。

1.2 代谢组学与其它组学的比较 代谢组学与基因组学、转录组学、蛋白质组学之间有着明显的差别。

一是研究对象不同。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究对象分别是DNA(基因)、mRNA、蛋白质和代谢产物。

二是研究对象之间的对应关系有差别。基因、mRNA和蛋白质之间具有一一对应的关系(如果不包括蛋白质的修饰情况)，即一个基因对应于一种mRNA，一种mRNA对应于一种蛋白质，而基因、mRNA或蛋白质与代谢产物之间则不存在一一对应关系。

三是研究方法不尽相同。基因由腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)四个碱基所组成，蛋白质由20几种氨基酸组成，而代谢产物则是以元素组成、原子排列、立体结构和分子电荷等特征来区分。

四是代谢组学与转录组学和蛋白质组学比较，具有以下优点：①基因和蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大，从而使检测更容易；②代谢组学的研究不需要建立全基因组测序及大量表达序列标签的数据库；③代谢物的种类要远小于基因和蛋白质的数量(每个组织中大约为103数量级，即使在最小的细菌基因组中也有数千个基因)；④代谢组学研究中采用的技术更通用，这是给定的代谢物在每个组织中都是一样的缘故[8-9]。

2 代谢组学研究的技术平台

大规模代谢组学研究过程包括样品制备、分离、检测、鉴定、数据分析与可视化以及建模与仿真等[4-5]。

2.1 样品制备 样品制备包括样品提取和预处理。代谢产物通常用水或有机溶剂(如甲醇、己烷等)分别提取，以分别获得水提取物或有机溶剂提取物，从而把非极性的亲脂相和极性相分离，以便分别进行分析。根据目前方法最多可分析约300种化合物。实际操作时，应该根据不同的化合物选择不同的提取方法，并对提取条件进行优化。

2.2 化合物的分离和鉴定 代谢组学的分析技术，包括化合物分离与检测及鉴定技术两部分。分离技术通常采用气相色谱(GC)，液相色谱(LC)，毛细管电泳(CE)等。而检测及鉴定技术通常采用质谱(一般质谱，时间飞行质谱)、光谱(红外光谱，紫外，荧光)、核磁共振、电化学(EC)等。目前，最常用的则是气相色谱和质谱联用仪(GC/MS)，液相色谱和质谱联用仪(LC/MS)，毛细管电泳和质谱联用仪(CE/MS)以及核磁共振(NMR)等。

3 代谢组学的数据分析

选择适当的代谢组学分析方法，其原则是要同时考虑仪器和技术的检测速度、选择性和灵敏度，以选择出一种最适合目标化合物的分析方法。

3.1 归一化与虑噪 获得分析对象的原始图谱后，首先应对数据进行预处理(包括归一化与虑噪)，处理后保留与分类有关的大部分信息，消除多余的干扰因素影响[8]。

3.2 非监督法 该方法可用于从原始谱图信息或预处理后的信息中对样本进行归类，采用相应的可视化技术进行直观表达，将获得的分类信息与样本的原始信息(如药物的作用位点或疾病的种类等)进行比较，建立代谢产物与这些原始信息的联系，筛选与原始信息相关的标记物，进而考察其中的代谢途径。应用于该领域的方法有主成分分析法(PCA)、非线性映射法(NLM)、簇类分析法(HCA)等。

3.3 监督学习方法 该方法可用于建立类别间的数学模型，使各类样品间达到最大分离，利用建立的多参数模型对未知样本进行预测。应用于该领域的方法有主成分分析法(PCA)、最小二乘法(PLS)、神经网络法(NN)，常用的有SIMCA与偏最小二乘法-显著性分析(PLS-DA)。

3.4 数据库与专家系统 作为代谢组学的数据分析，其最终目的在于建立可利用的该研究领域的相应数据库及专家系统。

4 代谢组学在动物营养研究中的相关应用

代谢组学作为一门新兴学科，对许多研究领域产生了深刻影响，在生物、农业、食品、医药、资源与环境等研究领域都得到了广泛应用，有着非常重要的现实意义。

4.1 研究营养素与机体相互关系方面的应用 运用代谢组学研究营养学问题，可从代谢水平研究营养素与机体的相互作用及营养素在疾病发生发展中的作用，还可测定许多营养代谢物与疾病及健康的关系。目前，代谢组学在营养方面的研究主要集中在与营养密切相关的糖代谢、氨基酸代谢、脂质代谢等方面，进而在分子水平上研究营养素对人和动物的生理机能影响。代谢组学在动物营养中的研究多集中在模型动物上，通过研究来寻求最佳饲料搭配的依据和机制，提供最佳饲料配方，通过调整营养供给促使动物达到最佳健康状况[4]。

4.2 代谢组学用于饲料营养对动物机体影响的评价 动物饲料中的营养物质对动物健康起着非常重要的作用，其潜在营养价值和保健效用是当前营养学研究的热点之一。有研究者应用LC-TOF-MS检测大鼠饲料中木质素、阿魏酸、芥子酸的代谢利用情况。结果发现，木质素在体内不被吸收，而阿魏酸、芥子酸在尿液中的代谢谱与纯化膳食组相比有很大不同，表明机体对不同物质的利用率大不相同。有研究者利用代谢组学方法发现肥育猪日粮中添加精氨酸能够降低血清超低密度脂蛋白、脂质、甘油磷酸胆碱、胆碱、柠檬酸、1-甲基组氨酸、糖蛋白、二甲胺和三甲基氧化物，能增加血清中3-甲基组氨酸、甜菜碱、甲胺、丙酮酸、琥珀酸和酮体的浓度。血清总脂质及其相关代谢物的变化进一步证明精氨酸在能量物质代谢中有着非常重要的作用[10-11]。

王小雪等(2008)[12]利用代谢组学的方法从家猫这一特殊哺乳动物机体系统代谢物变化的角度揭示了不同含量蛋白质饲料对家猫机体代谢的影响机制、研究不同营养干预对机体造成的影响，从而为该动物的饲料供应研究提供了重要依据。

4.3 代谢组学用于研究动物消化道菌群与宿主的相互作用 动物肠道微生物菌群结构复杂，微生物和营养物质的消化吸收与动物产品(肉、蛋、奶)的形成有着密切关系，与宿主之间进行着活跃的代谢交换和共同代谢过程。尤其是反刍动物瘤胃微生物对反刍动物营养物质的代谢起着非常重要的作用，但瘤胃微生物菌群中影响宿主代谢和生产性能的关键功能菌鉴定及其作用模式仍是研究的难题，综合利用代谢组学、分子生态学、元基因组学等方法，为其提供了新的突破口。

王保红等(2007)[13]利用代谢组学方法研究了人体肠道菌群结构和人体代谢表型的关联，为寻找影响人体代谢的关键功能菌，解析肠道微生物与人体相互作用机制提供了新的研究策略和研究方法。另有研究者运用代谢组学方法研究了万古霉素作用下小鼠尿液与粪便代谢组的变化。结果发现，氨基酸、断链脂肪酸等物质的代谢发生明显改变，提示肠道菌群与这些物质的产生和代谢可能有着密切关系。上述研究结果表明，肠道微生物菌群在影响宿主代谢中所起到的重要作用，一方面菌群可以影响宿主的整体代谢特性；另一方面，改变菌群结构可以相应改变宿主的生理代谢特性。

4.4 代谢组学在发酵饲料开发中的作用 发酵产品在饲料工业中占据着非常重要的地位，代谢组学在这方面同样发挥着重要作用。有研究者将快速取样技术和其他分析技术结合，实现了细胞内大量代谢产物的快速、高频率定量，使之能用于发酵过程的动态检测。该技术将有助研究各种因素对发酵的影响，从而提高生物工程产品的产量。

有研究者采用液相色谱与串联质谱联用技术对发酵过程中的氨基酸实现了监测；有研究者对计算机模拟的微生物细胞模型进行了大规模的代谢组学研究，均取得了显著成效，对提高生物工程的产品产量有着非常重要的作用[3-5]。

[1] Levin BE, Arcuate NPY neurons and energy homeostasis in diet-induced obese and resistant rats [J]. Am J Physiol,1999, 276: R382-387.

[2] Lindon JC, Holmes E, Nicholson JK. Pattern recognition methods and applications in biomedical magnetic resonance [J]. Prog Nucl Magn Reson Spect Rocs, 2001,39:1-40.

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[4] 聂存喜，张文举. 代谢组学及其在动物营养研究中的应用[J].中国畜牧兽医，2011,38: 108-111.

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[12] 王小雪，贾伟. 代谢组学方法研究家猫在不同营养干预下机体的代谢应答[C]. 上海：上海交通大学，2008.

[13] 王保红，李兰娟. 肠道微生物多样性及其与人体代谢相关性的研究[C]. 浙江：浙江大学，2007.

2014-09-20

作者介绍：袁芳芳(1988-)，女，江西人，硕士，主要从事非常规饲料原料开发利用研究。E-mail:yff13631419023@126.com

杨琳，E-mail: ylin@scau.edu.cn

S816.1

A

1005-7307(2016)06-0015-003