代谢组学：一个迅速发展的新兴学科

对代谢组学的含义,中心任务,研究方法,样品要求,应用及其发展方向进行了简要综述. 系统生物学概念的诞生标志着研究哲学由“还原论”向“整体论”的变化. 系统生物学的中心任务就是要针对生物系统整体 (无论它是生物细胞,多细胞组织,器官还是生物整体),建立定量,普适,整体和可预测 (QUIP) 的认知. 具体而言,系统生物学研究就是要将给定生物系统的基因,转录,蛋白质和代谢水平所发生的事件,相关性及其对所涉及生物过程的意义进行整体性认识. 从而出现了许多的“组”和“组学”的新概念. 但是现已提出的一百多个“组”和“组学”,可以大体归纳为“基因组”/“基因组学”,“转录组”/“转录组学”,“蛋白质组”/“蛋白质组学”和“代谢组”/“代谢组学”四个方面. 显而易见,DNA,mRNA 以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础 (但这个过程有可能不发生!),而代谢物质所反映的是已经发生了的生物学事件. 因此代谢组学是对一个生物系统进行全面认识的不可缺少的一部分,是全局系统生物学 (global systems biology) 的重要基础,也是系统生物学的一个重要组成部分. 在现有的英文表述中,代谢组学同时存在两个不同的词汇和概念,即metabonomics 和 metabolomics. 尽管前者多用在动物系统而后者多用于植物和微生物系统,但这些概念的本质从他们的定义中能够得到较细致的了解. Metabonomics 的最初定义是就生物系统对生理和病理刺激以及基因改变的代谢应答的定量测定(“the quantitative measurement of the multi-parametric metabolic response of living systems to pathophysiological stimuli or geneticmodifications”). 我们认为这个定义现在可以更广泛地表述为:代谢组学是关于定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学 (“Metabonomics is the branch of science concerned with the quantitative understandings of themetabolite complement of integrated living systems and its dynamic responses to the changes of both endogenous factors (such asphysiology and development) and exogenous factors (such as environmental factors and xenobiotics).”). 其中心任务包括 (1) 对内源性代谢物质的整体及其动态变化规律进行检测,量化和编录,(2) 确定此变化规律和生物过程的有机联系. Metabolomics 存在多个定义,但其精髓是:对一个生物系统的细胞在给定时间和给定条件下所有小分子代谢物质的定量分析(the quantitativemeasurement of all low molecular weight metabolites in an organism's cells at a specified time under specific environmentalconditions). 因此,metabolomics 可以译作“代谢物组学”. 不难看出,前者是对生物系统进行的整体和动态的认识 (不仅关心代谢物质的整体也关注其动态变化规律),而后者强调分析而且是个静态的认识概念. 因此可以认为,metabolomics 是metabonomics 的一个组成部分 (参看定义). 近年又有人提出了“dynamic metabolomics”的概念,这个概念所表达的含义十分接近“metabonomics”本身的含义. 所以,可以预见,随着这门新兴学科的发展和更深入讨论,这两个概念必将趋向一致. 因此我们建议,在中文表述中将“代谢组学”一词和英文中的 metabonomics 相对应,以避免不必要的混淆和争议. 就细胞系统而言,不仅存在细胞自身的代谢物质组成问题,存在细胞之间代谢物质交换的问题,也存在代谢过程所发生的位点问题. 因此,简单地分析代谢物质的总组成 (即代谢组) 缺乏“整体论”所要求的全面性,其意义有一定局限. 代谢组学属于全局系统生物学 (Global systems biology) 研究方法,便于对复杂体系的整体进行认识. 譬如,一个正常工作的人体包括“人体”本身和与之共同进化而来且共生的消化道微生物群体 (或称菌群),孤立地研究“人体”本身的基因,转录子以及蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息,但无法提供使人体正常工作不可缺少的菌群的信息. 人体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每一个细胞的信息,因此代谢组学方法对研究如人体这样复杂的进化杂合体十分有效. 正因如此,代谢组学已经广泛地应用到了包括药物研发,分子生理学,分子病理学,基因功能组学,营养学,环境科学等重要领域. 在代谢组学诞生的过去 6 年里,有关代谢组学的研究论文和专利以指数的形式逐年增长. 可以预见,这门新兴学科将应用到更为广泛的领域.     

生态代谢组学研究进展

代谢组学指某一生物系统中产生的或已存在的代谢物组的研究,以质谱和核磁共振技术为分析平台,以信息建模与系统整合为目标。随着代谢组学中的研究方法与技术成为生态学研究的有力工具,生态代谢组学概念应运而生,即研究某一个生物体对环境变化的代谢物组水平的响应。理清代谢组学与生态代谢组学学科发展的脉络,综述代谢组学研究中的常用技术及其优势与局限性,论述代谢组学技术在生态学研究中的应用现状,展望代谢组学技术与其他系统生物学组学技术的结合在生态学中的应用前景,提出生态代谢组学研究者未来要完成的任务和面对的挑战。     

果树代谢组学研究进展

果树代谢组学是继基因组学、蛋白质组学之后又一新兴的组学技术,主要是从代谢水平研究果树整体或局部代谢物变化差异,帮助发现新功能基因和了解代谢网络。目前果树代谢组学研究刚刚起步,相关研究相对较少,该文介绍了果树代谢组学的主要研究内容与方法以及在果树上的相关应用。     

代谢组学研究技术及其应用

介绍代谢组学的研究技术,主要包括核磁共振技术,色谱-质谱联用技术,同时介绍常用的数据处理方法和数据库.对目前代谢组学在医药领域、生物研究领域、资源环境,以及农业和食品领域的应用情况进行综述.     

组学技术及其在食品科学中应用的研究进展

后基因组时代的主要研究任务即是组学(转录组学、蛋白质组学及代谢组学)研究,其发展迅速,有望成为解决生命科学领域诸如食品品质与安全等科学问题的有力工具.组学研究为食品科学相关研究提供了新的思路和技术,在食品加工、贮藏、营养素检测、食品安全以及食品鉴伪等领域中已有广泛的应用.综述转录组学、蛋白质组学及代谢组学研究的核心技术,以及组学技术在食品科学研究中的研究进展,并对其应用前景进行展望.     

微生物代谢组学及其在工业中的应用

微生物代谢组学是系统生物学的重要组成部分,其与基因组学、转录组学和蛋白质组学相互补充,近年来受到越来越多人的重视。其主要对细胞生长或生长周期某一时刻细胞内外所有低分子量代谢物进行定性和定量分析,直接反映了细胞的生理状态,对理解细胞功能十分重要。由于代谢物的复杂性,研究者需根据不同的目的及对象选择合适的分析方法。对微生物代谢组学近年来的研究方法进行综述,包括样品处理、分析手段、数据分析,并讨论了微生物代谢组学在工业中的应用及所面临的挑战。     

面向代谢组学的模式识别技术应用与展望

代谢组学是后基因时代新兴的一门研究生物体内所有小分子代谢物的组学学科,是系统生物学的有机组成部分。由于代谢组学是基于数据驱动的学科,因此如何有效利用数据预处理、模式识别等信息处理技术从代谢组学复杂的高维样本中挖掘深层次的“知识”是代谢组学乃至整个系统生物学的关键问题。对模式识别技术在代谢组学中的应用作了全面的综述。总结代谢组学数据特性及其对模式识别技术的特殊要求,揭示面向代谢组学的模式识别技术所遇到的困难并在此基础上提出相应的解决办法。     

代谢组研究

代谢是生命活动中所有（生物）化学变化的总称。代谢活动是生命活动的本质特征和物质基础。代谢组是生物体内源性代谢物质的动态整体。代谢组学是关于生物体内源性代谢物质的整体及其变化规律的科学。系统生物学研究的本质就是要求对研究对象的相关分子机理进行定量、普适、整体和可预测性地认识。作为全局系统生物学的基础和系统生物学的一个重要组成部分,代谢组学是以物理学基本原理为基础的分析化学、以数学计算与建模为基础的化学计量学和以生物化学为基础的生命科学等学科交叉的学科。在过去七年多的时间里,这门新兴的学科得到了迅速的发展,并已广泛地应用到了分子病理学、毒理学、功能基因组学、临床医学和环境科学等领域。本文就代谢组学的本质、代谢组分析研究方法及其应用做了概述。     

乳酸菌代谢组学研究进展

代谢组学作为系统生物学的重要分支,近年来在微生物研究领域受到广泛关注,并取得了重要进展。目前乳酸菌代谢组学正日益成为研究的热点,就乳酸菌代谢组学研究中有关样品的制备、分析鉴定和数据分析等涉及的主要方法进行概述,并介绍一些乳酸菌代谢组学应用的典型实例,对乳酸菌代谢组学研究中潜在的问题和未来发展趋势进行讨论。     

代谢组学技术及其在临床研究中的应用

在后基因组时代, 系统生物学研究成为人们关注的焦点。转录组学、蛋白质组学等功能基因组学研究方法可同时检测药物或其他因素影响下大量基因或蛋白质的表达变化情况, 但这些变化不能与生物学功能的变化建立直接联系。代谢组学方法则可为代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性。代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量, 进行全面代谢物分析需要分析化学技术的支撑, 核磁共振和基于质谱的分析技术是代谢组学研究的两种主要技术手段。代谢组学研究可产生大量数据信息, 对这些数据进行分析离不开化学统计学的应用, 比如主成分分析、多维缩放、各种聚类分析技术以及功能差异分析等。文章综述了近年来代谢组学分析技术及数据分析技术的研究进展, 在此基础上, 对代谢组学在临床研究及临床前研究中的应用研究进展进行了综述。对疾病代谢表型图谱的研究有助于人们了解疾病发生、发展以及致死的机制; 在临床条件下, 这些代谢图谱可以作为疾病诊断、预后以及治疗的评判标准。代谢物组成的变化是毒物胁迫对机体造成的最终影响, 利用代谢组技术可以直接反映毒物对机体的影响。质谱技术、核磁共振技术的应用使得药物筛选过程可以快速完成, 并有助于实现个性化用药。此外, 利用代谢组学技术还可以进行已知酶的新活性研究, 也可以研究未知酶。     

代谢组学及其应用

对代谢组学的概念、特性、发展历史做了简要介绍,综述了当前代谢组学研究中的数据采集、数据分析中采用的技术,及代谢组学在疾病诊断、药物毒性研究、植物和微生物等邻域的应用,并对代谢组学的发展作了展望。     

漆酶及其应用的研究进展

漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,白腐真菌普遍能分泌该酶.有氧条件下,漆酶能催化多种高分子化合物降解,利用该性质漆酶已经广泛应用于生物制浆、污染物生物降解、生物漂白等领域.介绍了目前漆酶在农业和工业各个领域中的应用.     

微生物组学及其应用研究进展

随着高通量测序技术和生物信息学的发展,尤其是宏基因组在人类肠道微生物鉴定方面的应用,微生物组学应运而生。概述了微生物组的多样性及其在人体健康、农作物生长、畜牧业发展、环境治理、工业生物技术产品生产等方面的应用,并对微生物组学的研究方向和应用前景作了展望。     

微生物几丁质酶研究进展及应用*

几丁质由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合而成,是自然界中仅次于纤维素的第二大类聚合物。微生物几丁质酶来源丰富,是生物降解或利用几丁质的主要媒介。野生型菌株几丁质酶产量低、活性弱,故近年来有关几丁质酶的研究侧重于对其产量及催化活性的提升等方面。此外,几丁质酶具有水解病原真菌细胞壁、破坏害虫体壁、生产N-乙酰氨基葡萄糖寡聚体或单体的应用价值,在医药、农业、食品加工等领域表现出巨大的市场潜力。综述微生物几丁质酶的来源、分类及工程改造,为后续几丁质酶的研究及开发利用提供参考。     

微生物适冷酶及其应用研究新进展

生物圈的80%是由低温环境构成,大约90%的海水平均温度为5℃或者更低,这里孕育着极为丰富的微生物。根据微生物对环境温度的耐受性和其生长温度上限/下限的不同,将微生物分为嗜冷微生物和适冷微生物两大类。由这些微生物产生的适冷酶在低温下具有较高的催化效率和特异性,因而在生物技术领域具有巨大的应用潜力和开发价值。总结了近5年适冷酶新酶的筛选、发现及适冷酶稳定性的改造和低温表达系统等方面的最新研究进展,并对该领域的研究方向进行了展望。     

Recent Advances in Super-Resolution Fluorescence Imaging and Its Applications in Biology

Fluorescence microscopy has become an essential tool for biological research because it can be minimally invasive, acquire data rapidly, and target molecules of interest with specific labeling strategies. However, the diffraction-limited spatial resolution, which is classically limited to about 200 nm in the lateral direction and about 500 nm in the axial direction, hampers its application to identify delicate details of subcellular structure. Extensive efforts have been made to break diffraction limit for obtaining high-resolution imaging of a biological specimen. Various methods capable of obtaining super-resolution images with a resolution of tens of nanometers are currently available. These super-resolution techniques can be generally divided into three primary classes： （1） patterned illumination- based super-resolution imaging, which employs spatially and temporally modulated illumination light to reconstruct sub-diffraction structures; （2） single-molecule localization-based super-resolution imaging, which localizes the profile center of each individual fluo- rophore at subdiffraction precision; （3） bleaching/blinking-based super-resolution imaging. These super-resolution techniques have been utilized in different biological fields and provide novel insights into several new aspects of life science. Given unique technical merits and commercial availability of super-resolution fluorescence microscope, increasing applications of this powerful technique in life science can be expected.     

孢粉素的物理化学性质和生物医学应用研究进展*

孢粉素是类聚乙烯醇链通过酯键和缩醛高度交联的天然生物高分子,构成花粉和孢子的外壁,能够抵抗物理、化学、生物腐蚀,堪称自然界最坚固的有机物,被誉为植物界的金刚石。孢粉素微囊(SEC)自然界来源丰富、生物相容性好、无免疫原性,表面含有丰富的羧基、羟基和酚基,能够功能化或者与其他纳米材料构建复合材料;其表面丰富的纳米孔道增加了材料的比表面积,有利于捕获癌细胞或目标生物分子。SEC独特的性质使其在药物载体、口服疫苗载体、影像诊断、生物传感、细胞生长支架、微反应器、微型机器人等方面得到广泛的应用。阐述了孢粉素的结构、物理化学性质、制备方法和功能化方面的研究进展, 探讨了孢粉素的应用前景、存在的问题以及未来的发展方向。     

神经酸及其在预防和治疗脑病中的应用研究进展

神经酸是大脑神经细胞和组织中的一种核心天然成分,具有特殊的生物学功能, 对人体健康尤其是脑健康起到至关重要的作用。综述神经酸的生物功能和作用机制、神经酸的制备（包括从元宝枫油中提取分离、化学合成及转基因生物合成）以及神经酸在预防和治疗脑病（包括多发性硬化症、肾上腺脑白质营养不良、Zellweger 综合征、阿尔茨海默病等）中的应用研究进展。     

microRNA及其应用研究进展

microRNA(miRNA)是在多种真核细胞和病毒中发现的一类内源性非编码单链RNA,长约22个核苷酸,在进化上具有高度的保守性。miRNA可以通过碱基互补与靶基因mRNA的特定位点结合,抑制该蛋白合成或诱导该mRNA降解,在生物体生长、发育和疾病发生等过程中发挥着重要的作用。我们简要叙述了miRNA的特点和作用机制,并对miRNA在基因表达调控、胚胎干细胞调控及免疫调节等方面的最新进展进行了综述。     

脂质组学分析方法进展及其在癌症研究中的应用

脂质占人体内源性代谢物的一半以上,种类繁多,结构复杂,因而具有多种生物功能,与多种生命活动密切相关。脂质组学是代谢组学分支的新兴学科,它可以通过比较不同生理状态下脂质含量的变化,寻找代谢通路中关键的脂质生物标志物,最终揭示脂质在各种生命活动中的作用机制。随着质谱技术的进步,脂质组学在疾病脂类生物标志物的识别、疾病诊断、药物作用机制的研究等方面已展现出广泛的应用前景。本文主要就脂质组学近几年的分析方法进展及其在癌症中的最新应用进行了综述。