代謝組學在疾病診斷中的應用

代謝組學  （metabolomics）的出現是生命科學研究的必然。在20世紀90年代中期發展起來的代謝組學，是對某一生物或細胞中相對分子量小于1,000的小分子代謝產物進行定性和定量分析的一門新學科。代謝組作為系統生物學的重要組成部分，在臨床醫學領域具有廣泛的應用前景。

代謝產物是基因表達的最終產物，在代謝酶的作用下生成。雖然與基因或蛋白質相比，代謝產物較小，但是不能形成代謝產物的細胞是死細胞，因此不能小看代謝產物的重要性。

研究人員通過對機體代謝產物的深入研究，可以判斷機體是否處于正常狀態，而對基因和蛋白質的研究都無法得出這樣的結論。事實上，代謝組學研究已經能診斷出一些代謝類疾病，如糖尿病、肥胖癥，代謝綜合癥。目前，已經研究清楚的普通代謝途徑包括三羧酸循環  （TCA），糖酵解，花生四烯酸  （AA）/炎癥途徑。

研究方法

代謝組學的研究方法與蛋白質組學的方法類似，通常有兩種方法。一種方法稱作代謝物指紋分析  （metabolomic  fingerprinting），采用液相色譜-質譜聯用  （LC-MS）的方法，比較不同血樣中各自的代謝產物以確定其中所有的代謝產物。從本質上來說，代謝指紋分析涉及比較不同個體中代謝產物的質譜峰，最終了解不同化合物的結構，建立一套完備的識別這些不同化合物特征的分析方法。另一種方法是代謝輪廓分析  （metabolomic  profiling）,研究人員假定了一條特定的代謝途徑，并對此進行更深入的研究。

對于代謝產物來說，不僅只有質譜峰這個特征。更進一步說，質譜  （MS）并不能檢測出所有的代謝產物，并不是因為質譜的靈敏度不夠，而是由于質譜只能檢測離子化的物質，但有些代謝產物在質譜儀中不能被離子化。采用核磁共振  （NMR）的方法，可以彌補色譜的不足。劍橋大學的Jules  Griffin博士，正在使用質譜與核磁共振結合的方法，試圖建立機體中的完整代謝途徑圖譜。Griffin用核磁共振檢測高豐度的代謝產物，由于核磁共振檢測的靈敏度不高，所以只用于分析低豐度代謝產物。

過去，只有毒理學方面的研究使用核磁共振，而質譜只在植物代謝研究中采用。如今，這兩種方法在代謝組學研究中已經普遍使用。為在不同樣品間進行有意義的比較，研究人員必須結合使用這兩種方法獲得的大量數據進行分析。此外，還需要結合基因組學研究獲得的數據。

Gary  Siuzdak博士在美國克利普斯研究院  （TSRI）從事生物信息學問題的研究，他設計了一個分析來自不同樣品代謝產物變化的實驗方案。研究人員可以通過生物信息學軟件XEMS比較不同的數據，從而識別出代謝產物。軟件提供了所有代謝產物的分子量數據，這些代謝產物濃度因不同的個體而變化。公眾可以從網上免費獲取這些數據。

Siuzdak博士表示，他們正采用綜合研究的方法進行代謝組學研究，試圖檢測出盡可能多的代謝產物，超越人們過去使用方法所能達到的目標。通過個體研究，希望能在一定程度上識別出與應激有關的新分子，這些應激物可能是一種疾病，一種敲除酶，或者是其他的物質。

更好的“組學”？

代謝組學是繼基因組學、蛋白質組學、轉錄組學后出現的新興“組學”,自1999年以來，每年發表的代謝組學研究的文章數量都在不斷增加。從表面上看，代謝組學的發展很迅速，但是仍然遠遠落后于基因組學和蛋白質組學。“我們還在期待著重大發現”，Griffin博士解釋說，在Nature上發表的那些文章，讓人們對代謝組學充滿了期待：尋找一種新的生物標記物，發現一條新的代謝途徑，或更深入的了解目前已知的這些途徑。

盡管還沒有經典論文出現,但是研究人員相信，與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學將在臨床上發揮更大的作用。許多公司通過市場研究發現，健康人并不希望進行基因型分析，所以，對于這些人群來說，基因組學研究在臨床上的應用很有限。而代謝組學與臨床化學較為相似，且相對于基因組學來說，提供的個人信息更少，故其在臨床上的應用有可能產生一定的影響。較低的費用，是促使代謝組學在臨床上易于接受的另一個原因。Griffin博士指出，與其他“組學”研究相比，代謝組學的費用更低，研究人員可以通過代謝組學研究篩檢出代謝產物，然后采用更昂貴的基因組學和蛋白質組學的方法對有意義的代謝產物進一步加以研究。首先，必須識別出代謝產物，這并不是簡單的工作。Siuzak博士認為，代謝組學研究最大的挑戰就在于對代謝產物的識別，這也是最有趣的方面，而更具挑戰性的工作，是進一步確認所有代謝物的功能。此外，質譜分析發現，代謝產物的同質性不高，由于缺乏均勻性，使色譜分析變得更加困難，無法識別出樣品中的未知物質。

疾病診斷應用

與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學的研究側重于相關特定組分的共性，最終是要涉及研究每一個代謝組分的共性、特性和規律，目前據此目標相距甚遠。盡管充滿了挑戰，研究人員仍然堅信，與基因組學和蛋白質組學相比，代謝組學與生理學的聯系更加緊密。疾病導致機體病理生理過程變化，最終引起代謝產物發生相應的改變，通過對某些代謝產物進行分析，并與正常人的代謝產物比較，尋找疾病的生物標記物，將提供一種較好的疾病診斷方法。

代謝組學研究人員已經對此進行了研究。新生兒是否缺失酶基因，可以在出生時就檢測出來。可檢測出包括涉及合成途徑中的基本成分  （如氨基酸）的酶。酶缺失的結果就是相應的代謝產物過少或過多。苯丙酮尿癥  （PKU）是一種常見的嬰兒疾病。這種疾病是由于缺失將苯丙氨酸水解成酪氨酸所必須的苯丙氨酸水解酶基因，導致血液中苯丙氨酸累積造成的。若是不能及時檢測出這種天生的代謝缺乏，在嬰兒出生后九個月內，就會引起無法挽救的大腦損傷。這種疾病通過簡單的血樣和尿素化驗就可以確診。而血樣和尿素化驗以后也將成為代謝指紋研究方法的一部分。像苯丙酮尿癥那樣的疾病，研究人員正試圖從疾病的生物化學基礎著手，而不是僅僅檢測生物標記物。他們希望通過代謝組學，可以找到更好的方法去治療這些疾病。

Siuzdak博士對于代謝組學持樂觀而現實的態度。“代謝組學還只是在初生階段”，他解釋說，如果我們能夠了解代謝產物的5~10％，就很幸運了。若是這樣考慮的話，現實就是，我們對這些分子的作用仍然一無所知。但是，相信隨著其方法的不斷完善和優化，代謝組學研究必將成為人類更高效、準確地診斷疾病的一種有力手段。