背景

代謝是生物體內所有生物化學反應的總稱,代謝活動是生物體維持生命的物質基礎,對代謝物的分析是研究生命活動分子基礎的一個重要方面。代謝組學最初由英國帝國理工大學Jeremy Nicholson教授提出,他認為代謝組學是將人體的生理病理過程作為一個動態的系統,研究生物體被內、外環境因素擾動后其內源代謝產物種類、數量及其變化規律的科學。

其核心任務包括檢測、分析和探索代謝物質的整體變化規律,并通過這種變化規律研究機體生命活動發生、發展的本質。基于分析技術和信息技術的迅猛發展,代謝組學發展迅速,與基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等共同組成“系統生物學”,并在系統生物學研究中起著重要作用。

與其他組學相比,代謝組學具有明顯的優勢:1)代謝物水平上發生的變化更易于檢測;2)相較于基因組學和蛋白質組學需要進行全基因組測序和建立含有大量表達標簽的數據庫,代謝組學分析手段更為簡易;3)與基因和蛋白數量相比,代謝物數量少,易于確證和進行后續分析;4)生物樣本的代謝物和代謝通路變化可以系統地揭示機體生理病理狀態。

靶向代謝組學是按照代謝組學的原理和思路,只對有限的幾個或幾類與生物學事件相關的代謝物進行分析和研究的方法。通常在通過非靶向代謝組學發現差異代謝物之后,再利用靶向代謝組學進行進一步系統的確證。近年來新發展起來的糖組學、脂質組學等也屬于靶向代謝組學的范疇。與非靶向代謝組學相比,靶向代謝組學在分析上更具有針對性,與非靶向代謝組學優勢互補,是代謝組學的重要組成部分。

基本流程

1.1 樣本的采集、前處理與分析

靶向代謝組學與非靶向代謝組學分析所用的樣本類型相似。但在樣本前處理方面,因靶向代謝組學更具有針對性,基于目標代謝物或代謝組,在提取方法的選擇上可能與非靶向代謝組學存在一定的差別。例如,進行脂質組學研究是以提取出更多脂質為目的,所以選用的溶劑多對脂質具有較好的溶解能力,與一般代謝組學研究選用的溶劑差別較大,提取方法上也存在較多不同。靶向代謝組學與非靶向代謝組學所采用的分析儀器基本相同。

1.2 數據處理

靶向代謝組學只重點研究已知可能具有生物學效應的幾種或幾類代謝物,因此其數據處理相比于非靶向代謝組學更為簡單方便。其數據處理方法和使用的數據庫與非靶向代謝組學相似,但針對某類代謝物,如糖類和脂質組,通常還有LipidMaps、LipidBank等特定的數據庫。

應用實例[6][7][8]

1.Marien 等對正常和肝臟鱗狀細胞瘤組織樣本進行了靶向磷脂的脂質組學分析。結果發現,癌癥組織中長鏈酰基磷脂的含量顯著高于正常組織。進一步研究發現,癌癥組織中長鏈酰基磷脂含量的增加與酰基鏈延長酶(acyl chain elongases,ELOVLs)有關。

篩選后發現,ELOVL6 與癌癥組織中磷脂酰基鏈的延長關系最為密切。ELOVL6 被抑制后能夠顯著降低鱗狀細胞瘤細胞的集落形成能力;同時,動物實驗表明其被抑制后會顯著減慢皮下移植瘤的生長。說明ELOVL6 能通過調節長鏈酰基磷脂的含量影響鱗狀細胞瘤的發生和發展,從而可以作為鱗狀細胞瘤治療和藥物研發的潛在靶點。

2.Nomura 等對黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌等多株腫瘤細胞的蛋白組學進行研究,發現一種脂肪分解酶單酰基甘油脂肪酶(monoacylglycerol lipase,MAGL)表達較正常組織和細胞異常升高,該酶的生物學功能主要是分解脂肪釋放出游離的脂肪酸,通過脂肪酸氧化等途徑進行能量供應。

研究人員進一步對腫瘤細胞株和癌變組織進行脂質組學研究,發現多種游離脂肪酸異常升高,腫瘤侵襲、轉移的關鍵信號分子,如溶血磷脂酸(lysobisphosphatidic acids,LPA)和前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)等的表達也異常升高。

一方面,抑制MAGL 的活性在降低癌變組織與細胞中游離脂肪酸的同時,癌細胞的轉移、侵襲能力也受到影響;另一方面,過表達MAGL 或通過高脂飲食大量攝入外源脂肪酸,均會提高腫瘤的惡性程度和侵襲性。因此,MAGL 活性升高可促進癌細胞更有效率地從中性脂質中分解游離的脂肪酸用于能量供給。通過蛋白質組學和靶向代謝組學的研究,發現MAGL 可作為抑制癌細胞能量代謝的有效靶點。