向生物小分子进军

        随着人类基因组计划和人类蛋白质组计划的实施，从科学家到普通民众，都对生物体中的生物大分子——核酸和蛋白质的重要性有了深刻认识。核酸和蛋白质是生命的物质基础和功能基础。然而，对生命体中的各种化学小分子也不应该忽略。首先，小分子是生物大分子的基本“砖块”，如DNA和RNA是由成千上万的碱基和核糖连接而成的，蛋白质则通常由几十到数百个氨基酸组成。其次，小分子也是生命活动的重要参与者，例如，生命的新陈代谢活动离不开水，酶的催化作用常常需要小分子——辅酶的参与，一氧化氮和乙酰胆碱等化学小分子是重要的细胞信号传导物。更重要的是，生物大分子活动的最终目标常常就是化学小分子的代谢，例如生物体为了获取支撑其活动的能量，必须采用许多蛋白酶将食物进行分解，从中得到细胞可以利用的高能分子ATP；而生物大分子的异常也常常会引起小分子的异常，进而造成病变，如常见的遗传病苯丙酮尿症，就是由于人体代谢过程中必需的氨基酸苯丙氨酸代谢途径中酶的缺陷，导致了体内苯丙氨酸发生异常累积，造成神经系统的损害。

       研究生命过程中的化学小分子曾经是19世纪末和20世纪初的生物化学家关注的内容。随着DNA双螺旋的发现和蛋白质晶体结构的解析，人们逐渐把研究的重心移到生物大分子。随着后基因组时代的到来，科学家又把生物小分子重新纳入了研究视野，并且从生命大科学的角度提出了新的研究策略——代谢组学。根据代谢组学创始人之一英国科学家尼科尔森（J.  Nicholson）所说，代谢组（metabolome）是指一个特定细胞或组织中所有代谢产物的集合；而代谢组学（metabolomics）则是一门系统研究新陈代谢过程中代谢产物的变化规律，揭示机体生命代谢活动的本质的新兴学科[1]。尽管代谢组学也是属于“-omics”类型的生命大科学，但是它与把生物大分子作为主要研究对象的基因组学和蛋白质组学有着明显的区别。



开放的研究对象

        以生物大分子为研究对象的“组学”的研究目标是集中在特定的分子上，如基因组研究的是核酸，蛋白质组研究的是蛋白质。而在代谢组的研究中，其研究对象则包括了各种类型的化合物，既有与四类生物大分子——核酸、蛋白质、多糖和脂相关的生物小分子，如碱基、氨基酸和单糖；也包括了其它类型的有机分子，如维生素和乙酰胆碱；此外，还包括了许多种类的无机分子，如一氧化氮等。

        从代谢组这个概念来看，只要是与生物代谢相关的分子都可以列为其研究对象。那么，根据什么标准来界定代谢组的研究对象？就目前的情况来看，有两个主要的标准。首先是分子量，即分子量在1000以下的小分子。另一个重要的标准是生物代谢，即这类小分子必须是在新陈代谢过程中出现的特定的代谢产物。根据这两个标准，研究者估计了不同生物体的代谢组的大小。虽然细菌拥有的基因和蛋白质的数目不大，但其代谢产物的种类并不少，仅大肠杆菌就拥有大约750种代谢产物。丰富的次生代谢是植物代谢活动的一大特征，目前已经知道的植物代谢产物大约是5万种，估计整个植物界的代谢产物可能会超出20万种。人体内的代谢产物数量并不是很清楚，但肯定会在万种以上。

        尽管代谢组学的基本定义是要研究一种有机体的全部代谢产物，但实际上是难以做到的：一方面研究者没有判定尺度用来确定所研究的特定生物体的代谢组是否完整；另一方面代谢组本身作为生命活动的主要部分总是处在变化和开放的状态下，不是一成不变的。此外，代谢组的成分构成受实验条件和测量方法的影响很大，确定代谢组中代谢产物种类的工作只能是相对准确的。也就是说，代谢组学属于笔者所提出的“概念型大科学”类型（见《科学》2003年第1期第20页）。



环境与机体的纽带

        生命是一个开放系统，它与环境不断地进行着物质和能量的交换。各种小分子既可存在于生物体内，也可存在于生物体外的环境中。因此，尼科尔森等人把与代谢相关的小分子分为两类:内源代谢产物和外源化合物[2]。内源代谢产物是由生物体内的基因组/蛋白质组直接控制下的代谢途径产生的。外源化合物不是产生于生物体内的代谢途径，并且没有内在的生物学功能,但这类化合物对体内的代谢调控途径有强烈的作用，并且能够被体内的酶复合物系统进行完全的代谢[2]。

        这种对小分子的划分揭示了代谢组学的一个重要特征，即这门学科不仅关注生物体内的代谢产物，而且还要研究那些来自环境的影响生命活动的小分子。这些影响生命活动的外源化合物对人类而言涉及到两个最为密切的领域：营养和药物。

        营养就是生命体不断地从外界摄取所需物质以维持生命活动的整个过程；在这个过程中生物体需要将外来的物质通过代谢转变成可以被机体利用的小分子原材料和新陈代谢活动必需的营养素。因此，营养科学的核心问题就是代谢。传统的营养科学注重于个别的营养素在体内的代谢过程和功能的研究；而代谢组学的出现则提供了一个进行整体性研究的全新思路——系统性地对所有营养素进行研究。

        小分子药物是人类抗御疾病和维护健康的一种重要手段。一般说来，不论是天然化合物还是人工合成的化合物都属于典型的外源化合物。这些小分子药物是如何在体内发挥作用和怎样避免其副作用都与代谢紧密相关。由于代谢组学可以通过高通量和大规模的研究方法，同时分析成千上万的代谢产物而大大提高研究的效率，因此目前它在创新药物研发方面很受重视，包括药物毒理和药物代谢等。



对研究技术的挑战

        生命大科学的一个主要特征是对技术平台的依赖。作为生命大科学的代谢组学，其工作的开展同样离不开技术平台的支撑，尤其是需要能够进行高通量和大规模分析的技术。当前的代谢组研究技术平台的核心是核磁共振技术和质谱技术。

        核磁共振技术由于可探测化合物内部结构而不破坏样品，并具有高通量和高分辨率的特点，因此在代谢组学研究中占据重要地位。但是，与质谱技术相比，该技术的缺点是灵敏度不够高。在小分子分析方面，质谱技术以其普适性、高灵敏度和专一性成为最主要的工具。在研究中，质谱常常与其它分析仪器组合应用，如气相色谱－质谱联用、液相色谱－质谱联用等，不仅提高了分析的通量和灵敏度，而且扩大了可分析的代谢组分范围。但是，质谱技术也有其局限性，即代谢产物种类的鉴定需要对已知化学结构的标准化合物的信息和质谱仪采集到的样品化合物的信息进行比较，因此难以确定化学结构未知的全新代谢产物。

        由于代谢组学分析对象的种类非常复杂，它们的分子结构、溶解性、带电性和极性等物理化学性质差别很大，目前的分离分析手段要对它们统一进行全面分析还有一定的难度。此外，现有的技术还不能完全鉴定出所分离到的代谢组的组分。有文献报导，在当前的气相色谱－质谱联用技术测量的分析物中，只有20%到30%的产物可以明确地给出其化学结构[3]。对研究人员更具有挑战性的任务是，如何在代谢组的水平对代谢产物进行定量的测量和分析，以及如何研究其动力学过程。



系统生物学的重要组成

        代谢组学的产生和发展对系统生物学而言也是非常重要的，因为系统生物学要研究生物系统内的所有组成成分，既包括生物大分子，也包括生物小分子。代谢组学除了满足系统生物学的学科发展需要外，还对生物大分子的研究如基因组学和蛋白质组学有着特别的意义。

        基因组的活动与蛋白质组的活动尽管密切相关，但并不是简单的线性关系，而生物小分子的代谢谱与生物大分子的活动离得就更远，许多代谢通路的回馈机制并不能从蛋白质浓度或基因表达的改变上反映出来[2]。为此，研究者试图发现能够将代谢组研究与基因组和蛋白质组研究整合的方法。例如，德国科学家采用基因芯片和气相色谱－质谱联用技术，平行分析了马铃薯的基因表达谱和代谢谱，然后通过特定的算法分析这两类谱的相关性，从26  000多种可能的配对中发现了571个显著相关的配对；这571个中的大多数关系都是新的，有一些涉及到了重要的营养代谢产物[4]。

        基因活动的主要目的是生产蛋白质，蛋白质活动的主要目的则是影响生物体的新陈代谢；因此，代谢组是基因组和蛋白质组活动的终端产物，是个体基因型相应的表现型。从这个意义上说，对代谢组研究可以作为基因组研究或蛋白质组研究的“读出”(readout)。也就是说，如果要想深入了解在特定条件下，基因表达的变化或蛋白质组的变化对生物系统的影响，可以从研究代谢组的变化入手。



      [1]  Nicholson  J  K，et  al.  Xenobiotica，1999，29：1181

      [2]  Nicholson  J  K  ，Wilson  I  D.  Nature  Rev  Drug  Discov，2003，2：668

      [3]  Roessner-Tunail  U，et  al.  Plant  Physiol，2003，133：84

      [4]  Urbanczyk-Wochniak  E，et  al.  EMBO  Reports，2003，4：989



关键词：代谢组学系统生物学生物小分子

作者: 吴家睿
来源: 科学杂志
发布者: 刘斌