基于质谱技术的细胞代谢组学研究进展

中国细胞生物学学报ChineseJournalofCellBiology2017,39(8):1130–1134DOI:10.11844/cjcb.2017.08.0375x_±s收稿日期:2016-12-26接受日期:2017-04-21国家自然科学基金(批准号:31271287、30371214)资助的课题*通讯作者。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]:December26,2016Accepted:April21,2017ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.31271287,30371214)*Correspondingauthor.Tel:[phone],E-mail:[e-mail]网络出版时间:2017-07-2411:37:16URL:基于质谱技术的细胞代谢组学研究进展汪思媛赵星阳徐玮蔚刘慧雯*(哈尔滨医科大学组织学与胚胎学教研室,哈尔滨150081)摘要细胞代谢组学作为一个新兴领域,能解决基本的生物学问题,还能观察细胞内的代谢情况。细胞代谢物浓度可以近似地反映一个组织、器官或细胞的表型。随着代谢组学的发展,以质谱分析为基础的代谢组学技术研究细胞的代谢物,其灵敏度高、分辨率好,能进行多组分的检测,并能获取分子的结构信息,这有利于细胞生物学的研究。该文结合目前代谢组学的技术,对细胞代谢物研究的意义及基于质谱技术的细胞代谢组学的应用进行了综述。关键词细胞代谢组学;质谱;代谢物AdvancesinCellMetabolomicsBasedonMassSpectrometryWangSiyuan,ZhaoXingyang,XuWeiwei,LiuHuiwen*(DepartmentofHistologyandEmbryology,HarbinMedicalUniversity,Harbin150081,China)AbstractCellmetabolomicsisanemergingfieldthataddressesfundamentalbiologicalquestionsandallowsobservationofmetabolicphenomenaincells.Cellularmetaboliteconcentrationscloselyreflectthephenotypeofanorganism,tissue,orcell.Withthedevelopmentofmetabolomics,thetechnologyofmetabolomicswhichisbasedonmassspectrometrycanbeappliedtostudycellmetabolites.Andithashighsensitivity,goodresolution,thecapabilityformulti-speciesdetectionandmolecularstructureidentification,whichissignificantintheresearchofcellbiology.Inthisreview,combiningwiththecurrenttechnologyofthemetabolomics,thestudysignificanceofcellmetabolitesandtheapplicationsofcellmetabolomicsbasedonmassspectrometryarereviewed.Keywordscellmetabolomics;massspectrometry;metabolites在后基因组时代,生命科学研究已经进入全面、系统和动态的功能探索阶段。多种高通量研究策略如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学,还有小RNA测序被组合应用到同一个课题研究中,多个实验平台产出的数据分析整合更有利于其研究。其中,代谢组学(metabonomics或metabolomics)是20世纪90年代末发展起来的一门新兴学科,研究生物体被扰动(如基因突变或环境变化等)后其代谢物(内源性代谢物质)数量、种类的变化及其规律[1],其主要研究特定的细胞、器官或生物体中所有的小分子代谢物(分子量小于1500Da)[2]。基因和蛋白质表达在功能水平上的微小变化可在代谢物上得到放大,并且许多基因和蛋白质的非功能性变化不会在代谢物上反映出来,同时,代谢物的种类要远小于基因和蛋白质的数目以及常见代谢物在各个生物体系中都相似。基于以上优点,代谢组学研究得到了快速发展。鉴于代谢物是宿主基因组和环境因素相互作用的结果(如肠道微生物对药物和外源性代谢的影响[3]),代谢组学或代谢表型测定结果可以提供最佳的生物表征。早期的代谢组学主要是汪思媛等:基于质谱技术的细胞代谢组学研究进展1131分析体液和组织中的代谢物,随着代谢组学技术向自动化、高通量、小型化迈进,在分析细胞尤其单细胞[4]上显示出独特的优势。细胞代谢组学(cellmetabolomics)通常被定义为细胞内和膜上小分子代谢物的集合,而代谢物参与胞内生化反应的多种变化,其浓度可近似地反映一个组织、器官或细胞的表型。细胞代谢组学分析流程包括以下几个步骤:(1)样品的制备和提取;(2)代谢组学技术的检测与鉴定;(3)模式识别方法和生物信息学数据分析;(4)代谢物作为生物标志物和分子靶点。生物标志物最终被置于代谢网络中用于观察细胞的生化现象[5]。近年来,细胞代谢组学的研究已取得很大进展,本文将从细胞代谢物研究的意义、几种常见细胞代谢组学技术的比较以及质谱技术在细胞医学领域中的应用研究等方面进行综述。1细胞代谢物分析的重要性细胞是生物体结构和功能最基本的组成单位。细胞内的生命活动由基因、蛋白质、聚糖、脂质和小分子代谢物共同承担,且上游核酸和蛋白质的功能性变化最终体现在代谢层面,如细胞信号释放、神经递质、激素、能量传递和细胞间通信等。代谢组学是基因调控网络和蛋白质作用网络的下游,可以直接“读出(read-out)”生化事件[6],被认为是“组学”(基因组学﹑转录组学﹑蛋白质组学)研究的最终方向,所以能够更敏感、更直接、更准确地反应生物体的病理生理状态。此外,代谢组学与细胞表型和细胞活性有直接关系[7],鉴定细胞内和细胞膜中小分子代谢物的特征,可以让我们得知细胞如何应对外界条件的改变,有助于我们了解细胞的命运、功能和体内平衡状态。特别是“精准医疗”的提出,使研究人员把目光放在特定的基因变异以及基因如何调控细胞代谢程序驱动上。这些研究表明,代谢物谱可用于精准的个性化医疗[8]。细胞代谢组学作为一个刚开发的领域,研究人员利用它去鉴定和发现代谢生物标志物,区分正常和异常状态以及观察药物和应激剂(包括环境变化)的反应。已有研究表明,细胞代谢网络强大,是一个高度互联的调节系统,能控制细胞生化途径的动态行为[9-10]。细胞代谢组学与其他代谢组学方法相比,表现出了更多的优势:如容易控制实验条件、高度重现性、更经济、结果更易解释分析;性别、年龄、环境暴露等混杂因素在体外细胞研究中都不是主要影响因素;专注于特定的细胞类型可以减少其他因素引起代谢物的差异,并提供一个更稳定的背景,从而使细微的代谢物变化更明显[11]。2细胞代谢组学的检测技术细胞代谢组学的目的是获得可靠和可重复性的定量信息,但现在没有任何一个单一的技术平台能够检测出所有的代谢物。目前,应用于代谢组学的检测方法有以质谱(massspectrometry,MS)为基础的技术以及核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)、傅里叶变换红外光谱仪(Fourier-transforminfrared,FT-IR)和拉曼光谱(Ramanspectroscopy)等[8]。较常用的有氢核磁共振(hydrogennuclearmagneticresonance,1H-NMR)、气相色谱–质谱(gaschromatography-tandemmassspectrometry,GC-MS)﹑液相色谱–质谱(liquidchromatography-tandemmassspectrometry,LC-MS)。它们的优缺点见表1[12]。2.1质谱分析质谱技术在代谢组学领域的应用已逐渐成为主力军。以质谱分析为基础的代谢组学方法来研究细胞的代谢物,其灵敏度高、无需标记,能进行多组分检测的同时,还能获取分子的结构信息[13],有利于细胞生物学的研究。目前,与质谱联用技术主要分类有:毛细管电泳–质谱(capillaryelectrophoresismassspectrometry,CE-MS)、串朕质谱(massspectrometryandmassspectrometry,MS-MS)、GC-MS和LC-MS等。近期,随着质谱分析器的发展,如时间飞行分析器、四级杆、离子阱,特别是静电场轨道离子阱及它们之间的串联使用,使得质谱能够在浓度很低的情况下直接有选择性地分析化合物。其中,GC-MS和LC-MS使用的是色谱分离法,减少了基体效应和样品的重复性,比较经济实用,已应用于很多领域[14]。2.2质谱与核磁共振分析的比较NMR能在一个大的动态分子量范围内重复定量检测代谢物。其最大的优点是:对样品的处理少、无损害性、不破坏样品的结构和性质,可在近似的生理条件下进行实验,也可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件,进行实时和动态检测[15]。高分辨率旋转的核磁共振(high-resolutionmagic-anglespinning,HR-MAS)能直接检测活体组织中1132·综述·代谢物浓度,并且磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)和磁共振波谱成像(magneticresonancespectroscopicimaging,MRSI)可以探索分子的空间信息[8]。但由于NMR灵敏度低,有可能形成信号重叠,且其对样品制备的要求很高,限制了它检测细胞中多种分子化合物。3质谱技术在细胞代谢组学的应用代谢组学技术利用高分辨率的仪器去识别、量化和了解细胞系统中的所有成分。研究者提取相关的生物代谢标志物或标志物簇,在此基础上寻找所受影响的相关代谢途径,确立代谢网络的调控机制,发现细胞内的途径和网络联系[16]。研究人员利用基于质谱分析的细胞代谢组学技术,可以从代谢角度探讨其内在的机制,已应用于医学的很多领域,如疾病的诊断、药物的作用机制及药物研发、毒性评价、干细胞及体细胞重编程研究等方面。3.1疾病的诊断随着对疾病复杂性的深入了解及对疾病全面分析的需要,细胞代谢组学技术作为监测生物系统内过程的一个重要工具,有其独特的功能。机体发生病理变化时,细胞内的代谢物也相应地发生变化,因此,对这些变化的代谢物进行分析和检测,鉴定出与疾病状态相关的生物标志物,有助于临床疾病的诊断。Panneerselvam等[17]使用超高效液相色谱–串联质谱(ultra-performanceliquid-chromatographytandemmassspectrometry,UPLC-MS/MS)和气相色谱–飞行时间质谱(gaschromatographywithtime-of-flightmassspectrometer,GC-TOFMS)研究了受损的范可尼贫血(fanconianemia,FA)肿瘤抑制信号通路的人膀胱癌细胞的代谢特征,分析FAVL高表达(FAVL-high)和FAVL低表达(FAVL-low)的膀胱癌细胞,发现18种代谢物(如蛋氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸等)在这两种细胞之间有显著差异,并且这些代谢物与细胞的增殖和凋亡有关。他们还在代谢水平上证明了FAVL诱导损