中国科学: 化学 2014年 第44卷 第5期: 724 ~ 731

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

SCIENTIA SINICA Chimica

评 述 质谱分析专刊

基于质谱技术的代谢组学研究及其在中国的发展

王献

①②

, 林树海, 蔡宗苇*

②

②

① 中南民族大学化学与材料学院, 武汉 430074

② 香港浸会大学环境与生物分析国家重点实验室, 香港九龙 *通讯作者, E-mail: zwcai@hkbu.edu.hk

收稿日期: 2014-01-10 ; 接受日期: 2014-02-07; 网络版发表日期: 2014-04-03 doi: 10.1360/N032014-00016

摘要 代谢组学是关于生物系统代谢物组成及变化规律的科学, 是系统生物学的重要组成部分. 质谱技术是目前代谢组学研究中最主要的分析手段之一, 广泛应用于代谢组学各个领域. 本文阐述了基于质谱技术的代谢组学方法及其应用, 重点介绍和评论了近年来我国在该领域取得的进步和成果, 并对基于质谱技术的代谢组学研究目前存在的问题及未来的发展进行了分析与展望.

关键词 代谢组学 质谱技术 系统生物学

1 引言

后基因组时代如何解析基因组功能是生命科学研究的热点问题, 基于基因功能的复杂性和生物系统的完整性, 有必要从整体层面上来理解构成生物体系的各个模块功能[1]. 由基因组衍生出来的转录组学、蛋白质组学以及代谢组学等整体性研究方法成了解析功能基因组的新的重要手段[2~4]. 代谢组学作为系统生物学的重要组成部分, 可定义为对生命体系因环境刺激、病理生理扰动或基因改变等所引起的体现为所有代谢物动态应答的质和量及其变化规律. 由于代谢(物)处于生物系统生化活动调控的末端, 涵盖反映生理表型的直接而全面的生物标记物信息, 因此, 代谢组学作为系统生物学中最下游的“组学”, 可反映生物化学变化的信号放大效应, 且日益成为整体性研究生命体系功能变化的重要学科分支.

由于生物体系的复杂性, 代谢产物数目多、差异大、浓度分布范围广、组成复杂, 代谢组学也是一门技术驱动的科学. 现代质谱技术具有高选择和灵敏性、普适性和分析速度快等特点, 可同时检测鉴定多种代谢物, 提供丰富的数据信息. 因此, 基于质谱技

术的代谢组学研究文献不断增加, 已超过了基于核磁共振技术的文献量, 成为最有效的研究手段之一. 目前, 基于质谱技术的代谢组学研究在药物开发、临床疾病、植物学、营养学和环境毒理学等领域发挥着重要的作用[5].

2 质谱技术在代谢组学中的研究进展

气相色谱-质谱和液相色谱-质谱联用可以检测数千种化合物, 包括糖类、有机酸、氨基酸、脂肪酸、环境外源污染物和植物的次级代谢产物, 这是其他任何一项技术所无法比拟的[5~7].

超高效液相色谱与质谱联用扩展了分析物(代谢物)的覆盖率, 因此成为当今代谢组学的主要方法之一. 多维气-质和液-质联用的发展, 在对复杂体系中的靶标分析(如标记物分析)代谢组学研究中有着突出的优势. 纳升级[8, 9]和芯片纳流液相色谱-质谱系统也成为高效快速、高灵敏度的分离分析复杂代谢组样品的新技术[10]. 2013年, Science报道的高密度芯片-质谱接口技术, 如质谱微阵列芯片, 可解决单细胞代谢组学质谱检测中高通量制备单细胞样本的瓶颈问题[11].