代谢组学与营养学研究

代谢组学(metabonomics)是近几年来基于核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)、质谱(mass spectrometry,MS)和高效液相色谱(HPLC)等发展起来的一种新的"组学"技术,是通过分析生物体液及组织中所有小分子物质来研究有机体内物质代谢规律和健康状况的一门学科。代谢组学在功能基因组学、病理生理学、药理毒理学和营养学等方面有着广泛的应用前景。本文综述了代谢组学的研究进展和在营养学方面的应用。     

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.     

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。     

代谢组学研究进展及其应用

代谢组学是系统生物学的重要组成部分,其通过研究生物体代谢物的变化来认识生命体的生理与生化状态,从而找出其中隐藏的规律。对代谢组学的含义,研究任务进行介绍;综述代谢组学的产生和技术平台及其在植物、微生物、疾病诊断及毒物学等领域的应用,并对代谢组学的发展趋势以及面临的挑战等问题进行评述。     

代谢物组学在医药研究中的成功实践

代谢物组学作为后基因时代的一种全新的组学技术。其主要以现代系统生物学为理论基础,以生物体液为研究对象,以现代谱学分析理论和生物样品制备方法为技术支撑,集中生物体内低分子量化学组分进行全息分析和海量数据挖掘,最终明晰机体生物学变化的本质。代谢物组学在功能基因组学、病理生理学、药理毒理学等方面都有着广泛的应用前景。本文以代谢物组学概念化的提出为切入点,着眼于代谢物组学的宽口径应用领域,重点概述代谢物组学在医药领域的成功实践,并对代谢物组学的未来发展做初步构想代谢物组学在功能基因组学、病理生理学、药理毒理学等方面都有着广泛的应用前景。     

代谢组学技术在水产动物疾病研究中的应用

代谢组学是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的一门新学科。近年来,代谢组学技术在水产动物疾病中的研究备受关注,特别是为感染性疾病发生机制及防控研究提供了一种新的手段。本文介绍了代谢组学技术及其在水产动物研究中的应用,包括代谢组学技术在水产动物感染性疾病、细菌耐药及环境应激等方面应用进行综述,分析了代谢组学在水产动物疾病研究中面临的问题与挑战,并对未来水产动物代谢组学研究趋势进行了展望,以期为代谢组学技术在水产动物疾病发病机制和药物研发方面更深入的运用提供参考。     

Biochemical prevention and treatment of viral infections – A new paradigm in medicine for infectious diseases

For two centuries, vaccination has been the dominating approach to develop prophylaxis against viral infections through immunological prevention. However, vaccines are not always possible to make, are ineffective for many viral infections, and also carry certain risk for a small, yet significant portion of the population. In the recent years, FDA's approval and subsequent market acceptance of Synagis, a monoclonal antibody indicated for prevention and treatment of respiratory syncytial virus (RSV) has heralded a new era for viral infection prevention and treatment. This emerging paradigm, herein designated "Biochemical Prevention and Treatment", currently involves two aspects: (1) preventing viral entry via passive transfer of specific protein-based anti-viral molecules or host cell receptor blockers; (2) inhibiting viral amplification by targeting the viral mRNA with anti-sense DNA, ribozyme, or RNA interference (RNAi). This article summarizes the current status of this field.     

代谢组学在呼吸系统疾病研究中的应用进展

代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、转录组学之后发展起来的一门新兴学科,是系统生物学的重要组成部分。随内外界条件的改变,生物样本(生物体、细胞和组织等)中内源性小分子代谢物的组成、含量也发生相应的变化,通过各种高通量的分析手段对生物样本进行分析,从而找出与疾病相关的生物标志物,为疾病相关机制研究提供了新的途径。疾病诊断相关生物标志物的研究是代谢组学主要应用领域之一。呼吸系统疾病是一直困扰人们健康的常见疾病,我们对近年来代谢组学在几类常见的呼吸系统疾病诊断或鉴别方面取得的进展进行简要综述。     

The Variation of Root Exudates from the Hyperaccumulator Sedum alfredii under Cadmium Stress: Metabonomics Analysis

Hydroponic experiments were conducted to investigate the variation of root exudates from the hyperaccumulator Sedum alfredii under the stress of cadmium (Cd). S. alfredii was cultured for 4 days in the nutrient solution spiked with CdCl₂ at concentrations of 0, 5, 10, 40, and 400 µM Cd after the pre-culture. The root exudates were collected and analyzed by GC-MS, and 62 compounds were identified. Of these compounds, the orthogonal partial least-squares discrimination analysis (OPLS-DA) showed that there were a distinct difference among the root exudates with different Cd treatments and 20 compounds resulting in this difference were found out. Changing tendencies in the relative content of these 20 compounds under the different Cd treatments were analyzed. These results indicated that trehalose, erythritol, naphthalene, d-pinitol and n-octacosane might be closely related to the Cd stabilization, phosphoric acid, tetradecanoic acid, oxalic acid, threonic acid and glycine could be attributed to the Cd mobilization, and mannitol, oleic acid, 3-hydroxybutanoic acid, fructose, octacosanol and ribitol could copy well with the Cd stress.     

Spider Venoms: Biochemical Aspects

SYNOPSIS. The venoms of spiders are quite complex and containan array of biologically active components. The majority ofstudies on the biochemical aspects of these venoms have utilizedfour species: Phoneutria fera, Lycosa erythrognatha, Atrax robustus,and Latrodectus mactans. They produce venoms which are lethalto mammals as well as arthropods. The following substances havebeen isolated from one or more of their venoms: a-aminobutyricacid, histamine, 5-hydroxytryptamine, spermine, proteases, hyaluronidase,phosphodiesterase, and toxic and lethal polypeptides. With thepossible exception of spermine, the lethality of these venomsappears to be the result of the actions of the polypeptides.The other substances apparently play a subsidiary role.