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系統(tǒng)生物學(xué)的定義范文第1篇

一、合成生物學(xué)：新千年的科學(xué)技術(shù)

新的研究格局在世紀(jì)之交已經(jīng)呈現(xiàn)，其中生物科學(xué)的地位日益凸顯，數(shù)十年前還不敢想象的技術(shù)現(xiàn)在似乎可以實(shí)現(xiàn)。但是，新世紀(jì)面臨著新挑戰(zhàn)。世界人口日益增加，氣候變化、糧食和能源需求增加、疾病傳播等一系列新的問題隨之出現(xiàn)。許多科學(xué)家和工程師認(rèn)為，可以通過合成生物學(xué)這一新興而又具有變革潛力的學(xué)科應(yīng)對新世紀(jì)面臨的部分挑戰(zhàn)。

合成生物學(xué)是一門將科學(xué)和工程方法相結(jié)合進(jìn)行生物學(xué)研究和操控的新興學(xué)科。雖然合成生物學(xué)還處在“幼年期”――其核心研究內(nèi)容主要局限于尋找和提煉可執(zhí)行具體基因功能或生物化學(xué)功能的生物元件，并改善DNA合成和構(gòu)建的方法――但目標(biāo)遠(yuǎn)大。合成生物學(xué)家們希望設(shè)計(jì)并構(gòu)建人工合成的生物系統(tǒng)，最終用于工業(yè)制造、糧食生產(chǎn)，并提高全球健康水平。

一般而言，合成生物學(xué)是指運(yùn)用工程學(xué)原理，設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物元器件和系統(tǒng)，并重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的、天然的生物系統(tǒng)，用于有益目的。它源于生物學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域一個(gè)世紀(jì)的研究成果，但離不開工程學(xué)、計(jì)算科學(xué)、信息技術(shù)等領(lǐng)域的重大突破。

合成生物學(xué)具有以下重要特點(diǎn)：（1）它是生物學(xué)研究的新穎方法。與傳統(tǒng)的生命機(jī)制探索方法完全相反，合成生物學(xué)注重生產(chǎn)定制化的細(xì)胞、有機(jī)體和生命體。（2）應(yīng)用工程學(xué)方法生產(chǎn)生命體。合成生物學(xué)通常應(yīng)用工程學(xué)原理設(shè)計(jì)執(zhí)行特定功能的簡化的生物元素。（3）依賴于非等級化的科研和商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)。合成生物學(xué)向著橫向的、全球化的研究方式發(fā)展，通過社交網(wǎng)絡(luò)，它吸引了世界各地的年輕科學(xué)家。（4）需要響應(yīng)社會(huì)關(guān)切。合成生物學(xué)是新興的學(xué)科和技術(shù)，需要充分考慮該技術(shù)的倫理、法律和社會(huì)影響，以及人們對其生物安全、監(jiān)管和知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題的關(guān)切。

二、合成生物學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略

1.中國。中國認(rèn)為合成生物學(xué)將帶來技術(shù)推動(dòng)的新一輪經(jīng)濟(jì)增長，因此努力成為該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先者。目前，中國每年對合成生物學(xué)的研發(fā)投資達(dá)到2.6億元，每年發(fā)表合成生物學(xué)論文400余篇，約占世界總量的10%，論文被引次數(shù)居全球第7。中國已經(jīng)制訂了合成生物學(xué)戰(zhàn)略路線圖，規(guī)劃了技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等方面的中長期目標(biāo)。未來5年，將建立標(biāo)準(zhǔn)元件數(shù)據(jù)庫，形成設(shè)計(jì)生物元器件的計(jì)算能力；形成化學(xué)品和生物材料的模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力；對可增強(qiáng)植物耐旱性和耐堿性的生物元件進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)。未來10年，將擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)元器件數(shù)據(jù)庫，形成設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)的計(jì)算能力；商業(yè)化生產(chǎn)某些化學(xué)品和生物材料；對合成固氮器件進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)。未來20年，將形成生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模和驗(yàn)證一體化平臺(tái)；商業(yè)化生產(chǎn)眾多自然化合物、藥品、化學(xué)品和生物燃料；臨床應(yīng)用生物元件和系統(tǒng)，用于檢測、控制和治療主要疾??；創(chuàng)造人工微生物。

2.英國。英國政府把合成生物學(xué)視為非常有商業(yè)前景的革命性平臺(tái)，熱切期望在合成生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)世界領(lǐng)先地位。英國政府決定成立合成生物學(xué)領(lǐng)導(dǎo)委員會(huì)，促進(jìn)各領(lǐng)域的討論與公私合作，由部長和資深業(yè)界人士擔(dān)任聯(lián)合主席。英國計(jì)劃開展合成生物學(xué)投資如下：公共投資5000萬英鎊，其中多達(dá)650萬英鎊用于鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)投資；英國工程與自然科學(xué)研究理事會(huì)投資600萬英鎊，鼓勵(lì)大學(xué)探索新產(chǎn)品商業(yè)化；將合成生物學(xué)研發(fā)和相關(guān)的倫理、法律及社會(huì)影響研究的資助整合起來；生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(huì)支持16個(gè)機(jī)構(gòu)從事5個(gè)跨國研究項(xiàng)目；撥款1億英鎊，用于未來3-5年對10萬名患者進(jìn)行全基因組測序。

3.美國。美國很早就是合成生物學(xué)領(lǐng)跑者。美國政府每年向合成生物學(xué)研究投入約1.4億美元，其中美國國家科學(xué)基金會(huì)投入約7200萬美元。2008年美國國家科學(xué)基金會(huì)投入1600萬美元資助合成生物學(xué)工程研究中心。美國國防部力圖將合成生物學(xué)提升為一種制造平臺(tái)，美國能源部也圍繞合成生物學(xué)啟動(dòng)了一些行動(dòng)。不過，美國聯(lián)邦政府還沒有制訂合成生物學(xué)投資或管理的整體規(guī)劃。本屆政府的《國家生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖》雖然提到了合成生物學(xué)，但沒有提出具體的行動(dòng)計(jì)劃。2010年，美國總統(tǒng)奧巴馬指示總統(tǒng)生物倫理問題研究委員會(huì)對合成生物學(xué)進(jìn)行評估，并制定倫理指南，意在使風(fēng)險(xiǎn)最小化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)公共利益最大化。

三、合成生物學(xué)帶來的機(jī)遇

合成生物學(xué)會(huì)帶來新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮。產(chǎn)業(yè)界大量投資合成生物學(xué)，認(rèn)為伴隨著基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的不斷進(jìn)步，合成生物學(xué)將通過生物制造給產(chǎn)品和物質(zhì)開發(fā)帶來革命性影響。到21世紀(jì)頭十年的中葉，全球就約有3000家生物技術(shù)公司，其中基因合成公司遍及五大洲，每年生產(chǎn)約5萬條基因。生物產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上舉足輕重。2010年，美國的生物經(jīng)濟(jì)（包括轉(zhuǎn)基因作物、生物產(chǎn)品和工業(yè)生物技術(shù)）產(chǎn)值約為3000多億美元，超過美國GDP的2% 。據(jù)市場研究公司BBC Research估計(jì)，2011年合成生物學(xué)（包括支撐技術(shù)、生物元件及其組合產(chǎn)品）全球市場價(jià)值為16億美元，2016年將達(dá)到108億美元。

企業(yè)紛紛投資頗具前景的人工改造的生物產(chǎn)品，包括微生物、植物橡膠、生物基丙烯酸樹脂、產(chǎn)于生物廢料的綠色化學(xué)品、維生素以及用可再生碳水化合物生產(chǎn)的生物柴油。美國安倫捷科技公司副總裁達(dá)琳?所羅門認(rèn)為，合成生物學(xué)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新一輪浪潮，生物制造將以可持續(xù)原料取代傳統(tǒng)原料，從而改變所有產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，使全球經(jīng)濟(jì)更為可持續(xù)。

合成生物學(xué)的大規(guī)模應(yīng)用及市場推廣要耗費(fèi)數(shù)十年時(shí)間，不過DNA測序、計(jì)算技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的齊頭并進(jìn)會(huì)縮短這一進(jìn)程。專家們預(yù)計(jì)：未來5年，將會(huì)形成數(shù)個(gè)全球性的合成生物學(xué)研究平臺(tái)；未來10年，合成生物產(chǎn)品產(chǎn)值將達(dá)200億美元，生產(chǎn)細(xì)胞以制造大宗化學(xué)品和精細(xì)化學(xué)品將成為常態(tài)；未來20-30年，將理性地合成多細(xì)胞組織或器官，細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用，新穎的生物制造工藝將被應(yīng)用于生產(chǎn)非生物產(chǎn)品。

四、合成生物學(xué)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

要充分釋放合成生物學(xué)的潛力，需要克服技術(shù)、監(jiān)管、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等諸多挑戰(zhàn)。

1.技術(shù)挑戰(zhàn)。發(fā)展合成生物學(xué)在元件及應(yīng)用、互操作、度量、量產(chǎn)成本控制、工具及軟件等方面面臨挑戰(zhàn)。在元件及應(yīng)用方面，開發(fā)一大批標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、行為可預(yù)測、可廣泛應(yīng)用的生物元器件是近在眼前的挑戰(zhàn)。盡管有數(shù)以千計(jì)的生物元件已編目，但可重復(fù)且可靠的生物元件并非廣泛可用。在互操作方面，合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵之一是開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的生物元件，像模塊一樣可靠地組裝，視情調(diào)整。為了得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，生物器件和系統(tǒng)的每個(gè)元件以及數(shù)據(jù)庫、度量單位和可擴(kuò)充系統(tǒng)在不同尺度和水平上都要兼容。在度量方面，準(zhǔn)確度量系統(tǒng)性能是合成生物學(xué)面臨的迫切挑戰(zhàn)，有必要形成能支持多種度量類型的基礎(chǔ)設(shè)施，而且未來全球統(tǒng)一的度量單位與度量本身一樣重要。在量產(chǎn)成本控制方面，經(jīng)濟(jì)合算地生產(chǎn)工業(yè)化學(xué)品需要工程化生產(chǎn)高效微生物株，然而，現(xiàn)在開發(fā)含有合成生物元件的可行產(chǎn)品仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在工具和軟件方面，改進(jìn)數(shù)據(jù)收集工具、軟件和硬件對于合成生物學(xué)發(fā)展也很重要。除了可降低合成生物元件成本的自動(dòng)化工藝外，專業(yè)化計(jì)算工具（如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和建模工具）的缺乏也阻礙了合成生物學(xué)的發(fā)展。

2.監(jiān)管問題?？茖W(xué)進(jìn)展往往快于政策制定，同時(shí)合成生物學(xué)的界限也在不斷變化，因此在早期就應(yīng)關(guān)注與合成生物學(xué)治理和監(jiān)管相關(guān)的問題。

3.知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。構(gòu)建新的生物元件帶來了一系列問題：對生物元件的權(quán)利是否應(yīng)私有？如何進(jìn)行生物元件登記？是否應(yīng)對其申請專利？不同的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和分享安排如何影響合成生物學(xué)的進(jìn)步與創(chuàng)新？目前各國專利法規(guī)定不一。合成生物學(xué)在現(xiàn)有或新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系下能否蓬勃發(fā)展是研究人員關(guān)注的一個(gè)重大問題。鑒于已經(jīng)開發(fā)的合成生物元件數(shù)量巨大，并且企業(yè)對商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)有濃厚的興趣，解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題異常重要。

4.包容問題。合成生物學(xué)是交叉性學(xué)科，既產(chǎn)生于多個(gè)學(xué)科，又回饋于這些學(xué)科。持續(xù)包容對于合成生物學(xué)的持續(xù)發(fā)展十分重要。一方面，要與產(chǎn)業(yè)界、監(jiān)管和政策制定機(jī)構(gòu)交流合作，使技術(shù)推動(dòng)與市場拉動(dòng)相結(jié)合。另一方面，還要使更多的公眾參與合成生物學(xué)對話，了解其可能存在的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)，討論有關(guān)的生物安全和倫理問題。

（作者：賈 偉，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所副研究員，主要研究方向?yàn)閲饪萍颊吲c發(fā)展戰(zhàn)略。

劉潤生，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所助理研究員，科技參考研究室負(fù)責(zé)人，主要從事科技戰(zhàn)略與政策研究。）

鏈接：

合成生物學(xué)（synthetic biology），最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術(shù)，隨著分子系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，2000年E. Kool在美國化學(xué)年會(huì)上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究。

“合成生物學(xué)”更早可追蹤到波蘭科學(xué)家Waclaw Szybalski采用“合成生物學(xué)”術(shù)語，以及目睹分子生物學(xué)進(jìn)展、限制性內(nèi)切酶發(fā)現(xiàn)等可能導(dǎo)致合成生物體的預(yù)測?！跋到y(tǒng)生物學(xué)”則可追蹤到貝塔朗菲的“有機(jī)生物學(xué)”及定義“有機(jī)”為“整體或系統(tǒng)”概念，以及闡述采用開放系統(tǒng)論、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)方法研究生物學(xué)。

系統(tǒng)生物學(xué)的定義范文第2篇

關(guān)鍵詞：醫(yī)科研究生;神經(jīng)生物學(xué);神經(jīng)生物學(xué)課程;必要性

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）44-0191-02

神經(jīng)生物學(xué)是研究神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能的一門學(xué)科，是生物學(xué)中研究神經(jīng)系統(tǒng)組織解剖、生理病理等內(nèi)容的一個(gè)分支，被公認(rèn)為21世紀(jì)的明星學(xué)科。自上世紀(jì)90年代以來，世界科研強(qiáng)國加快了對神經(jīng)生物學(xué)研究的投入。美國于1990年推出“腦的十年計(jì)劃”，歐洲于1991年開始實(shí)施“EC腦十年計(jì)劃”，隨后日本于1996年也正式推出了名為“腦科學(xué)時(shí)代計(jì)劃”的跨世紀(jì)大型研究計(jì)劃，計(jì)劃在未來20年內(nèi)投入大量的研究經(jīng)費(fèi)[1]，旨在揭示大腦的工作機(jī)制、繪制腦功能圖譜，并最終開發(fā)出針對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床療法。在我國，腦科學(xué)研究已被列為“事關(guān)我國未來發(fā)展的重大科技項(xiàng)目”之一，將從認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦和模擬腦三個(gè)方向全面啟動(dòng)。由復(fù)旦大學(xué)牽頭，并聯(lián)合浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等十幾所高校及中科院研究所，成立了“腦科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心”，積極推進(jìn)腦科學(xué)研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用，極力促進(jìn)“上海腦計(jì)劃”的實(shí)施。因此，作為醫(yī)科專業(yè)的研究生，有必要學(xué)習(xí)神經(jīng)生物學(xué)這門課程，了解“腦科學(xué)”這一當(dāng)前熱點(diǎn)研究項(xiàng)目。

一、神經(jīng)生物學(xué)是一門重要而又特殊的學(xué)科

腦的結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，因而腦科學(xué)是自然科學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的課題。21世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)為生命科學(xué)，而生命科學(xué)研究中最重要的領(lǐng)域之一又是神經(jīng)生物學(xué)，所以神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展前景非常可觀。在醫(yī)學(xué)界，神經(jīng)生物學(xué)是一門從多層次、多水平研究人體神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、分化、發(fā)育、衰老等規(guī)律及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生和機(jī)制的科學(xué)。它是一門交叉學(xué)科，涉及神經(jīng)解剖學(xué)、發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、分子細(xì)胞神經(jīng)生物學(xué)、神經(jīng)藥理學(xué)、精神病學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。神經(jīng)生物學(xué)涉及內(nèi)容相當(dāng)豐富，同時(shí)科學(xué)研究成果又是日益更新，這就要求作為醫(yī)科的研究生，不僅要全面系統(tǒng)地掌握并鞏固所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，更要與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)了解相關(guān)最新研究成果，更新自己的觀念。

神經(jīng)生物學(xué)是一支普通又特殊的生命科學(xué)學(xué)科。其普通性主要體現(xiàn)在，它和其他學(xué)科的基本研究材料一樣都是動(dòng)物，從低等的果蠅、斑馬魚，到高等的小鼠、大鼠、猴子、人。而其特殊性體現(xiàn)在，神經(jīng)生物學(xué)的研究器官――腦，是高等生物最復(fù)雜的，而且神經(jīng)元幾乎是最難培養(yǎng)的細(xì)胞，所以神經(jīng)生物學(xué)研究需要一些特殊而復(fù)雜的研究方法，如神經(jīng)電生理方法、光遺傳學(xué)方法、轉(zhuǎn)基因方法、系統(tǒng)生物學(xué)方法等。神經(jīng)生物學(xué)的最終目的是認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦、開發(fā)腦，即認(rèn)識(shí)人類大腦的結(jié)構(gòu)與功能，闡明產(chǎn)生感覺、認(rèn)知、意識(shí)和情感的腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能，闡明神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡(luò)連接和通訊功能;調(diào)控腦的發(fā)育和衰老過程，促進(jìn)大腦健康發(fā)育，控制衰老及神經(jīng)疾病的預(yù)防和康復(fù)，提高神經(jīng)系統(tǒng)疾病的預(yù)防與診療水平;還要開發(fā)腦，即揭示學(xué)習(xí)和記憶的機(jī)制，進(jìn)一步開發(fā)智力。盡管人類關(guān)注腦、試圖了解腦的結(jié)構(gòu)與功能已經(jīng)有了相當(dāng)長的歷史，并在腦的結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能方面取得了顯著進(jìn)展，但人類對腦的認(rèn)知及腦的高級功能的認(rèn)識(shí)仍然處于初級階段，尚有一些重大科學(xué)命題亟待進(jìn)行研究，比如意識(shí)的物質(zhì)定義、智能的產(chǎn)生等，因此培養(yǎng)一批優(yōu)秀的神經(jīng)科學(xué)工作者，成為高校的一項(xiàng)重要而艱巨的任務(wù)。

二、寧夏醫(yī)科大學(xué)開設(shè)研究生神經(jīng)生物學(xué)課程的必要性

（一）本校開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)課程的必要性

國際上神經(jīng)科學(xué)作為一門新的專業(yè)和課程正式走進(jìn)高等院校，是在1966年美國哈佛大學(xué)成立神經(jīng)科學(xué)系之后。而后歐美很多高等醫(yī)學(xué)院校在上世紀(jì)70年代也相繼成立神經(jīng)生物學(xué)專業(yè)或開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)課程。而在我國，一些大學(xué)陸續(xù)開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)課程則是在20世紀(jì)80年代。1983年首都醫(yī)科大學(xué)呂國蔚教授率先面向研究生開設(shè)了《醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)》課程，之后上海醫(yī)科大學(xué)為五年制本科生開設(shè)了神經(jīng)生物學(xué)的必修課。廣州醫(yī)學(xué)院也從1996年始開設(shè)此門課程，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院于1996年開始為精神衛(wèi)生專業(yè)方向本科生開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)必修課，同時(shí)為臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)選修課，1998年以后又為碩士研究生開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)課程[2]。這幾年眾多高等院校陸續(xù)開始給醫(yī)科研究生開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)課程，于此同時(shí)給本科生開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)必修課的學(xué)校也日漸增多。

神經(jīng)生物系是寧夏醫(yī)科大學(xué)2010年剛剛成立的一個(gè)新系，神經(jīng)生物學(xué)課程也剛開始在生物技術(shù)和臨床心理學(xué)本科專業(yè)試行，目前尚未在研究生中開設(shè)。鑒于神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科以上所述的特點(diǎn)及醫(yī)科研究生培養(yǎng)的需要，強(qiáng)烈建議立即為本?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究生開設(shè)此門課程。

（二）神經(jīng)生物學(xué)的授課內(nèi)容及方式

系統(tǒng)生物學(xué)的定義范文第3篇

關(guān)鍵詞：藥用植物；代謝組學(xué)；功能基因組學(xué)

代謝組學(xué)是對生物體內(nèi)代謝物進(jìn)行大規(guī)模分析的一項(xiàng)技術(shù)［1］，它是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分（如圖1所示），藥用植物代謝組學(xué)主要研究外界因素變化對植物所造成的影響，如氣候變化、營養(yǎng)脅迫、生物脅迫，以及基因的突變和重組等引起的微小變化，是物種表型分析最強(qiáng)有力的工具之一。在現(xiàn)代中藥研究中，代謝組學(xué)在藥物有效性和安全性、中藥資源和質(zhì)量控制研究等方面具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。另外，在對模式植物突變體文庫或轉(zhuǎn)基因文庫進(jìn)行分析之前，代謝組學(xué)往往是首先考慮采用的研究方法之一。目前，國外已有成功利用代謝組學(xué)技術(shù)對擬南芥突變株進(jìn)行大規(guī)模基因篩選的例子，這為與重要性狀相關(guān)基因功能的闡明和選育可供商業(yè)化利用的轉(zhuǎn)基因作物奠定了基礎(chǔ)。

圖1系統(tǒng)生物學(xué)研究的四個(gè)層次略

目前，還有許多經(jīng)濟(jì)作物的全基因組測序計(jì)劃尚未完成，由于代謝組學(xué)研究并不要求對基因組信息的了解，所以在與這些作物有關(guān)的研究領(lǐng)域具有更大的利用價(jià)值，這也是其與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)研究相比的優(yōu)勢之一。代謝組學(xué)研究涉及與生物技術(shù)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和信息學(xué)相關(guān)的大量知識(shí)，F(xiàn)iehn［2］對代謝組學(xué)有關(guān)的研究方向進(jìn)行了分類（見表1）。

1代謝組學(xué)研究的技術(shù)步驟

代謝組學(xué)研究涉及的技術(shù)步驟主要包括植物栽培、樣本制備、衍生化、分離純化和數(shù)據(jù)分析5個(gè)方面（見圖2）。

1.1植物栽培

對研究對象進(jìn)行培育的目的是為了對樣本的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，相對于微生物和動(dòng)物而言，植物的人工栽培需要考

表1代謝組學(xué)的分類及定義略

慮更多的問題，如中藥材在不同年齡、不同發(fā)育階段、不同部位以及光照、水肥、耕作等環(huán)境因素的微小差異都可引起生理狀態(tài)的變化，而這些非可控及可控雙重因素的影響很難進(jìn)行精確的控制，從而影響藥用植物代謝組研究的重復(fù)性。為了解決以上問題，推薦使用大容量的培養(yǎng)箱［3］，定時(shí)更換培養(yǎng)箱中栽培對象的位置，以及使用無土栽培技術(shù)等，F(xiàn)ukusakiE［4］利用無土栽培系統(tǒng)將水和養(yǎng)分直接引入植物根部，并且對供給量進(jìn)行精確地控制，大大提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。

1.2樣本制備

為了獲得穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，樣本制備需要考慮樣本的生長、取樣的時(shí)間和地點(diǎn)、取樣量以及樣本的處理方法等問題，并根據(jù)分析對象的分子結(jié)構(gòu)、溶解性、極性等理化性質(zhì)及其相對含量大小對提取和分離的方法進(jìn)行選擇，逐一優(yōu)化試驗(yàn)方案。MaharjanRP等［5］用6種方法分別對大腸桿菌中代謝產(chǎn)物進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)用－40℃甲醇進(jìn)行提取的效果最好。現(xiàn)階段代謝組學(xué)的分析對象主要集中在親水性小分子，尤其是初級代謝產(chǎn)物，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GCMS)和毛細(xì)管電泳質(zhì)譜（CEMS）聯(lián)用都是分析親水小分子的重要技術(shù)。FiehnO等［6］使用GCMS對擬南芥葉片中的親水小分子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)酒石酸半縮醛、檸蘋酸、別蘇氨酸、羥基乙酸等15種植物代謝物。

1.3衍生化處理

對目標(biāo)代謝產(chǎn)物的衍生化處理取決于所使用的分析設(shè)備，GCMS系統(tǒng)只適合對揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，高效液相色譜法（HPLC）一般則使用紫外或熒光標(biāo)記的方法對樣本進(jìn)行衍生處理，BlauK［7］對酯化、?；⑼榛?、硅烷化、硼烷化、環(huán)化和離子化等衍生方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。然而離子化抑制常使得質(zhì)譜分析過程中目標(biāo)代謝產(chǎn)物的離子化效率降低，這主要是由于分離過程中污染物與目標(biāo)代謝物難以完全分離開所引起的，優(yōu)化色譜分離時(shí)間可有效緩解離子化抑制，然而在實(shí)際操作中不可能對上百種代謝產(chǎn)物的分離時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，利用非放射性同位素稀釋法進(jìn)行相對定量可以很好的解決該問題。HanDK等［8］應(yīng)用同位素編碼的親和標(biāo)記（ICAT），根據(jù)經(jīng)誘導(dǎo)分化的微粒蛋白及其同位素標(biāo)記物的峰面積比，對該蛋白的相對含量進(jìn)行分析。ZhangR等［9］發(fā)現(xiàn)同位素標(biāo)記技術(shù)也可用于代謝組學(xué)的研究，但是卻存在許多困難?；铙w的同位素標(biāo)記方法對于同位素的洗脫是一種非常有潛力的技術(shù)，目前關(guān)于使用34s的研究已有報(bào)道［10］。

圖2代謝組學(xué)研究技術(shù)步驟略

1.4分離和定量

分離是代謝組學(xué)研究中的重要步驟，與質(zhì)譜聯(lián)用的色譜和電泳分析技術(shù)都是使用紫外或電化學(xué)檢測的方法進(jìn)行定量，其對代謝組數(shù)據(jù)的分辨率與定量能力都有一定的影響。TomitaM等［11］總結(jié)了各種色譜分離法中經(jīng)常遇到的技術(shù)問題，認(rèn)為毛細(xì)管電泳和氣相色譜法由于具有較高的分辨率，已成為代謝組學(xué)研究的常規(guī)技術(shù)手段之一，液相色譜因其適用范圍廣，應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。

TanakaN等［12］用高效液相色譜對樣品進(jìn)行分離，認(rèn)為使用硅膠基質(zhì)填充毛細(xì)管整體柱的高效液相色譜系統(tǒng)具有用量少、靈敏性高、低壓降高速分離等優(yōu)勢；同時(shí)，TolstikovV等［13］也使用硅膠填充的毛細(xì)管液相色譜方法對聚戊烯醇類異構(gòu)體進(jìn)行了有效分離，獲得了很好的分辨率。TanakaN等［14］發(fā)現(xiàn)二維毛細(xì)管液相色譜法的分辨率比傳統(tǒng)的高效液相法高10倍。相對于其他色譜方法而言，超臨界流體色譜（SFC）是分離疏水代謝物最具潛力的技術(shù)之一，特別適用于分離那些傳統(tǒng)HPLC難以分析的疏水聚合物，BambaT等［15］通過SFC對聚戊烯醇進(jìn)行分析，證明其具有較好的分離能力。針對質(zhì)譜中存在的共洗脫現(xiàn)象，HalketJM等［16］發(fā)明了一種適用于GCMS的反褶積系統(tǒng)，對共洗脫的代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離與識(shí)別。AharoniA等［17］使用傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FTICRMS）對非目標(biāo)代謝物進(jìn)行分析，快速掃描植物突變樣品，獲得了一定量的代謝成分。

與分離一樣，定量能力也是代謝組學(xué)研究中的重要因素，其取決于各分析系統(tǒng)的線性范圍。傅立葉轉(zhuǎn)換核磁共振（FTNMR)、傅立葉紅外光譜（FTIR）以及近場紅外光譜法（NIR）等技術(shù)由于敏感性低，重復(fù)性受共洗脫現(xiàn)象影響較小也被用于檢測中。近年來，F(xiàn)TNMR技術(shù)常被用于植物代謝組的指紋圖譜研究［18］，但由于NMR分析需要樣品量較大，分析結(jié)果易受污染，GriffinJL［19］發(fā)現(xiàn)將統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別與FTNMR相結(jié)合可以對代謝物進(jìn)行全面分析。除FTNMR之外，F(xiàn)TIR通過對有機(jī)成分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)光譜測定，也可適用于代謝組學(xué)的研究，特別是應(yīng)用于構(gòu)建代謝組學(xué)的指紋圖譜。盡管它不能對代謝物進(jìn)行全面分析，但對具有特定功能的組分卻有很好的定量效果，對從工業(yè)及食品原材料中分離的代謝混合物也可以進(jìn)行全面分析，目前，已有學(xué)者將其成功地應(yīng)用于擬南芥［20］和番茄［21］代謝產(chǎn)物指紋圖譜的研究中。

1.5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為闡明代謝物復(fù)雜的線性或非線性關(guān)系，需要進(jìn)行多變量分析，將原始的色譜圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的矩陣數(shù)據(jù)，通過對色譜峰鑒定和整合從而進(jìn)行多變量分析。由于環(huán)境等因素的干擾，光譜數(shù)據(jù)需要通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)加工方法進(jìn)行校正，包括：①降低噪聲；②校正基線；③提高分辨率；④數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。JonssonP等［22］報(bào)道了一種關(guān)于GCMS色譜圖數(shù)據(jù)處理的方法，可以對大量代謝產(chǎn)物樣品進(jìn)行有效的識(shí)別。

2代謝組學(xué)中的數(shù)據(jù)分析方法

2.1主成分分析法（PCA）

主成分分析法，將實(shí)測的多個(gè)指標(biāo)用少數(shù)幾個(gè)潛在的相互獨(dú)立的主成分指標(biāo)線性組合來表示，反映原始測量指標(biāo)的主要信息。使得分析與評價(jià)指標(biāo)變量時(shí)能夠找出主導(dǎo)因素，切斷其他相關(guān)因素的干擾，作出更為準(zhǔn)確的估量與評價(jià)。PCA數(shù)據(jù)矩陣通常來自于GCMS，LCMS或CEMS，因此將目標(biāo)代謝產(chǎn)物作為自變量，而相應(yīng)的代謝產(chǎn)物含量作為因變量，定義與最大特征值方向一致的特征向量為第一主成分，依此類推，PCA便能通過對幾個(gè)主要成分的分析，從代謝組中識(shí)別出有效信息。主成分分析有助于簡化分析和多維數(shù)據(jù)的可視化，但是該方法可能導(dǎo)致一部分有用信息的丟失。

2.2層次聚類分析法（HCA）

層次聚類分析法也常用于代謝組學(xué)的研究中，它是將n個(gè)樣品分類，計(jì)算兩兩之間的距離，構(gòu)成距離矩陣，合并距離最近的兩類為一新類，計(jì)算新類與當(dāng)前各類的距離。再合并、計(jì)算，直至只有一類為止。進(jìn)行層次聚類前首先要計(jì)算相似度（similarity），然后使用最短距離法（NearestNeighbor）、最長距離法（FurthestNeighbor）、類間平均鏈鎖法（BetweengroupsLinkage）或類內(nèi)平均鏈鎖法（WithingroupsLinkage）四種方法計(jì)算類與類之間的距離。該方法雖然精確，但計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)密集，對大量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)，更適合選用K均值聚類法(KMC)或批次自組織映射圖法(BLSOM)，而HCA適合將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為主成分后使用。2.3自組織映射圖法(SOM)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中鄰近的各個(gè)神經(jīng)元通過側(cè)向交互作用相互競爭，發(fā)展成檢測不同信號的特殊檢測器，這就是自組織特征映射的含義。其基本原理是將多維數(shù)據(jù)輸入為幾何學(xué)節(jié)點(diǎn)，相似的數(shù)據(jù)模式聚成節(jié)點(diǎn)，相隔較近的節(jié)點(diǎn)組成相鄰的類，從而使多維的數(shù)據(jù)模式聚成二維節(jié)點(diǎn)的自組織映射圖。除PCA和HCA外，SOM同樣也可應(yīng)用于包括基因組和轉(zhuǎn)錄組等組學(xué)研究中［23］。最初SOM計(jì)算時(shí)間長，依靠數(shù)據(jù)輸入順序決定聚類結(jié)果，近年來SOM逐漸發(fā)展成為不受數(shù)據(jù)錄入順序影響的批次自組織映射圖法(BLSOM)。由于BLSOM可以對類進(jìn)行調(diào)整，且有明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化次序優(yōu)于其他聚類法，已在基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)分析中得到廣泛的應(yīng)用。

2.4其他數(shù)據(jù)采礦方法

除PCA、HCA和SOM外，很多變量分析方法都可用于植物代謝組學(xué)的分析。軟獨(dú)立建模分類法(SIMCA)是利用主成分模型對未知樣品進(jìn)行分類和預(yù)測，適合對大量樣本進(jìn)行分析；近鄰分類法(KNN)和K平均值聚類分析法(KMN)也可用于樣品分類；主成分回歸法(PCR)或偏最小二乘回歸法(PLS)在某些情況下也可使用。然而到目前為止由于還沒有建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析方法，代謝組學(xué)仍然是一門有待完善的學(xué)科。

3代謝組學(xué)在藥用植物中的實(shí)踐

植物藥材來源于藥用植物體，而藥用植物體的形態(tài)建成是其體內(nèi)一系列生理、生化代謝活動(dòng)的結(jié)果。植物代謝活動(dòng)分為初生代謝和次生代謝，初生代謝在植物生命過程中始終都在發(fā)生，其通過光合作用、檸檬酸循環(huán)等途徑，為次生代謝的發(fā)生提供能量和一些小分子化合物原料。次生代謝往往發(fā)生在植物生命過程中的某一階段，其主要生物合成途徑有莽草酸途徑、多酮途徑和甲瓦龍酸途徑等。植物藥材含有的生物堿、胺類、萜類、黃酮類、醌類、皂苷、強(qiáng)心苷等活性物質(zhì)的絕大多數(shù)屬于次生代謝產(chǎn)物，因此探討次生代謝產(chǎn)物在藥用植物體內(nèi)的合成積累機(jī)制及其影響因素，對于提高活性物質(zhì)含量、保證藥材質(zhì)量、穩(wěn)定臨床療效等具有重要意義。孫視等［24］通過對銀杏葉中黃酮類成分積累規(guī)律的研究，提出了選擇具有一定環(huán)境壓力的次適宜生態(tài)環(huán)境解決藥用植物栽培中生長和次生產(chǎn)物積累的矛盾。王昆等［25］以人參葉組織為材料,總結(jié)了構(gòu)建人參葉cDNA文庫過程中存在的一些關(guān)鍵問題和應(yīng)采取的對策,為今后關(guān)于人參有效成分如人參皂苷的生物合成途徑及其調(diào)控的基礎(chǔ)研究提供技術(shù)參考和理論指導(dǎo)。最近，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的Keasling等［26］采用一系列的轉(zhuǎn)基因調(diào)控方法，通過基因工程酵母合成了青蒿素的前體物質(zhì)——青蒿酸，其產(chǎn)量超過100mg/L，為有效降低抗瘧藥物的成本提供了機(jī)遇。經(jīng)過長期的研究積累，人們對代謝途徑的主干部分（為次生代謝提供底物的初生代謝途徑）已經(jīng)基本了解，例如酚類的莽草酸途徑，萜類的異戊二烯二磷酸(IPP)途徑等。被子植物中一些相對保守的次生代謝途徑也得到了很好的研究，如黃酮類、木質(zhì)素的生物合成與調(diào)控。然而，對次生代謝最豐富最神奇的部分——特定產(chǎn)物合成與積累的過程，還所知甚少［27］。

4展望

近年來，代謝組學(xué)正日益成為研究的熱點(diǎn)，越來越多的人已加入到代謝組學(xué)的研究中。隨著代謝組學(xué)積累的數(shù)據(jù)和信息量的增大，其在藥用植物學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也與日俱增。它將不僅能對單個(gè)代謝物進(jìn)行全方面的分析，更能尋找其代謝過程中的關(guān)鍵基因、通過代謝指紋分析對藥用植物進(jìn)行快速分類、進(jìn)一步研究藥用植物有效成分代謝途徑以及環(huán)境因子對植物代謝和品質(zhì)的影響與調(diào)控機(jī)制。

然而依據(jù)傳統(tǒng)中醫(yī)藥學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的指導(dǎo)思想，目前急待解決的是中藥種質(zhì)資源的代謝組學(xué)研究和中藥體內(nèi)作用的代謝組學(xué)研究。同時(shí)，代謝組學(xué)在分析平臺(tái)技術(shù)、方法學(xué)手段和應(yīng)用策略等方面相對于其他組學(xué)技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展和完善，還需要其他學(xué)科的配合和介入。相信隨著更有力的成分分析設(shè)備的使用及代謝組數(shù)據(jù)庫的建立，藥用植物代謝組學(xué)將對中醫(yī)藥學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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系統(tǒng)生物學(xué)的定義范文第4篇

關(guān)鍵詞：代謝組學(xué)技術(shù)，西藥研究

【中圖分類號】R954【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號】1672-3783(2012)04-0047-02

1 概況

西藥已經(jīng)在預(yù)防和治療人類疾病上有了幾百年的歷史。如今，由于可靠的療效，西醫(yī)已成為風(fēng)靡全球的一種治療方式。然而，其獨(dú)特的理論體系，不是立竿見影的治療效果以及許多方面很難進(jìn)行的科學(xué)定義都阻礙了西藥的進(jìn)一步發(fā)展。例如，不易的質(zhì)量控制、復(fù)雜的有效成分，以及不明確的治療機(jī)制都還是需要解決的問題。而更重要的是如何運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)來解釋西藥理論。

代謝組學(xué)是一個(gè)新興主題研究，加上基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，共同構(gòu)成了“系統(tǒng)生物學(xué)”。代謝組學(xué)是一種定量理解綜合生活系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的代謝產(chǎn)物內(nèi)在和外在變化的研究方法。

近年來，研究表明，代謝組學(xué)的系統(tǒng)研究作為一個(gè)系統(tǒng)的方法，代謝組采用“自上而下”的戰(zhàn)略，以反映生物體的代謝網(wǎng)絡(luò)終端癥狀的功能，以及了解并干預(yù)造成一個(gè)整體范圍內(nèi)完整的系統(tǒng)代謝的變化。這種思維模式恰巧與西藥理論異曲同工。因此，國際和國內(nèi)學(xué)者相繼研究將西藥的關(guān)鍵科學(xué)問題與代謝組學(xué)技術(shù)一起進(jìn)行研究，包括綜合征，西藥治療的個(gè)體，作為一個(gè)整體的西藥綜合療效差，資源和西藥的質(zhì)量控制等研究。這些研究表明，代謝組學(xué)在西藥的研究起著越來越重要的作用。因此，本文討論了西藥的一些代謝組學(xué)的應(yīng)用以及分析了一些西藥近年來在這種應(yīng)用上的障礙。

2 代謝組學(xué)研究西藥的應(yīng)用

2.1 代謝組學(xué)在西藥理論中的應(yīng)用:最近，代謝組學(xué)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代西藥研究中。這些技術(shù)包括核磁共振（NMR）的，LC-MS和GC-MS，主要使用數(shù)據(jù)檢測的方法。例如，通常都會(huì)通過使用西藥的質(zhì)量控制和活性成分的定性和定量測試來測定西藥的有效成分。核磁共振經(jīng)常被應(yīng)用于生物指紋和復(fù)雜的西藥科學(xué)理論的闡述， GC經(jīng)常被使用在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的建立，MS（常常與其他方法相結(jié)合，如GC，LC，）為協(xié)助其他分析方法而在西藥現(xiàn)代研究中存在。以下是一些例子：應(yīng)用高效液相色譜-電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜（HPLC-ESI-TOF-MS）在藥代動(dòng)力學(xué)研究中來了解西藥療效。運(yùn)用LC-MS和GC-MS法來研究西藥毒性等。說明了基于核磁共振的來代謝傳統(tǒng)西藥引起的生化效應(yīng)的研究方法的可靠性很高。因此，我們應(yīng)該采用代謝組學(xué)技術(shù)平臺(tái)，來研究復(fù)雜的西藥理論體系，是切實(shí)可行的。

2.2 代謝組學(xué)中對西藥的應(yīng)用辨證:有根據(jù)的代謝組學(xué)在不同的生理和病理階段有著具體的代謝模式。新陳代謝的改變與生理的內(nèi)臟病理有密切相關(guān)。

近年來，西藥辨證施治的代謝組技術(shù)的應(yīng)用得到了廣泛的報(bào)道。在這些研究中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，甲酸，肌酐，2-酮戊二酸，檸檬酸，牛磺酸，三甲基胺-N-氧化物，琥珀酸，內(nèi)容模型和與正常大鼠相比有明顯改變。因此，這些差異代謝產(chǎn)物可被視為潛在的代謝生物標(biāo)志物。

隨后，代謝組學(xué)的研究表明，腎陽虛綜合癥是與能量代謝，氨基酸代謝，腸道菌群紊亂有關(guān)。新血瘀證與脂質(zhì)代謝和乙二醇代謝有關(guān)。因此，運(yùn)用代謝組學(xué)分析來確定代謝產(chǎn)物的特征是西藥的治療作用機(jī)制研究的本質(zhì)。

2.3 應(yīng)用代謝組學(xué)的西藥療效:中國醫(yī)藥在治療疾病方面有著自身完整的一套系統(tǒng)，這是一個(gè)與代謝組學(xué)研究完美匹配的整體概念。最近，研究表明，代謝組學(xué)研究已經(jīng)成為一個(gè)越來越重要的工具，并已成功運(yùn)用于評價(jià)西藥的療效和機(jī)制中。在這些研究中，中國傳統(tǒng)醫(yī)藥黃連素在1型糖尿病的基礎(chǔ)上運(yùn)用metabomic方法（UPLC的Q-TOF-MS）觀察到了明顯的效果。這些結(jié)果表明，小檗堿可能可以下調(diào)高游離脂肪酸的水平。研究表明人參、皂苷對自發(fā)性高血壓大鼠（SHR）（TG）代謝的影響效果明顯。而在SHR大鼠的血漿中，棕櫚酸，半乳糖苷，十八碳二烯酸和丁酸作為特殊的生物標(biāo)志物被發(fā)現(xiàn)。與TG治療相比，SHR的代謝分布趨于正常。有報(bào)道稱，四君子湯在就增加粘液蛋白在胃腸道的細(xì)胞，拮抗乙酰膽堿，促進(jìn)肝糖原的合成和抗氧化方面有著顯著的效果。因此，這些研究表明，代謝組學(xué)作為一個(gè)系統(tǒng)性和整體性的思維，可以揭示西藥綜合療效和其復(fù)雜的機(jī)制。

2.4 代謝組學(xué)研究西藥的毒性:近日，代謝組學(xué)研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)方法對西藥的毒性和安全性進(jìn)行了評價(jià)研究。在這些研究中。運(yùn)用了牽?；ǚN子誘導(dǎo)的腎毒性的代謝組字符，由MGS引起毒理學(xué)的生物標(biāo)志物8個(gè)內(nèi)源性代謝物。使用兩個(gè)代謝組學(xué)的方法治療分析了大鼠烏頭類生物堿是附子的毒性主要部件。在與正常的對照組比較之后，他們發(fā)現(xiàn)乳酸，丙氨酸和血脂水平較高，葡萄糖，β-羥基丁酸酯和烏頭堿卻處在較低的水平。運(yùn)用GC-MS和LC-MS相結(jié)合的代謝分析方法，揭示AA誘導(dǎo)的腎毒性的病理結(jié)果。這項(xiàng)研究顯示，機(jī)管局導(dǎo)致的直接細(xì)胞毒作用，酶的抑制作用，gutmotivated代謝產(chǎn)物的顯著改變，與能量代謝，并最終誘發(fā)腎臟相關(guān)的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和腎功能的破壞有關(guān)。因此，許多代謝組學(xué)為基礎(chǔ)的方法已被證明可行，已被運(yùn)用在西藥的毒性調(diào)查中。

3 西藥代謝障礙

目前，越來越多的代謝組學(xué)技術(shù)已用于西藥研究，如核磁共振（NMR）的，氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）。這些技術(shù)在西藥方面的研究，如靶器官的檢測，建立模式，闡明機(jī)制和物質(zhì)基礎(chǔ)的探索，已經(jīng)取得了一些理想的結(jié)果。這些結(jié)果表明，代謝組學(xué)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。然而，綜合分析的代謝和明確的鑒定檢測到的代謝產(chǎn)物仍然是電流色譜的代謝組學(xué)研究的難題。因此，使用西藥代謝組學(xué)目前也遇到很多困難。

在過去一年中，在現(xiàn)代研究分析的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為西藥代謝組學(xué)研究的主要障礙在很大程度上是由于以下原因。首先，現(xiàn)有的分析技術(shù)未能全譜分析代謝產(chǎn)物以及缺乏代謝組學(xué)的定量分析，這些分析技術(shù)還有或多或少的缺點(diǎn)和不足之處。其次，研究的難度在于大量的數(shù)據(jù)，以及如何最大限度地利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)仍然是代謝組學(xué)的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)西藥在體內(nèi)的外源性成分復(fù)雜，這些成分不明的生物體對傳統(tǒng)西藥的代謝產(chǎn)物可能有干擾的影響，增加了闡明代謝產(chǎn)物潛在生物學(xué)意義的難度。第三，它并沒有足夠重視的將蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)合起來，從而導(dǎo)致片面性的結(jié)果的產(chǎn)生。還存在著缺乏西藥綜合癥狀的臨床和生物標(biāo)志物分析。最后，我們應(yīng)該深刻的認(rèn)識(shí)到西藥代謝組學(xué)研究給西藥領(lǐng)域帶來極大的好處仍然是在其啟動(dòng)階段。因此，我們認(rèn)為，代謝組學(xué)研究在深入了解西藥以及研究西藥方面將扮演越來越重要的角色。

4 結(jié)論

如今，作為一個(gè)新的研究方法，代謝組學(xué)的研究特點(diǎn)，是在全球生物和功能狀態(tài)上進(jìn)行端點(diǎn)放大，以適應(yīng)西藥理論的整體研究。代謝組學(xué)技術(shù)，我們不僅可以解釋西藥辨證施治的精髓和“辨證治療”的理論，而且闡明了現(xiàn)代的科學(xué)內(nèi)涵和西藥的毒性。然而，一個(gè)目標(biāo)藥物代謝組學(xué)結(jié)果的定量評價(jià)，以療效為基礎(chǔ)的多組分和西藥材的單組分的代謝組比較，仍需要進(jìn)一步研究。我們認(rèn)為，代謝組學(xué)分析技術(shù)，尤其是多分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，代謝組學(xué)將極大地促進(jìn)西藥研究，并有利于西藥現(xiàn)代化。

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系統(tǒng)生物學(xué)的定義范文第5篇

【摘要】 脂質(zhì)的生物功能具有多樣性，其代謝與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。脂質(zhì)的分析量化對研究疾病發(fā)生機(jī)理和診斷治療，以及醫(yī)藥研發(fā)有非常重要的生物學(xué)意義。分析技術(shù)的快速發(fā)展，特別是質(zhì)譜及其聯(lián)用技術(shù)的運(yùn)用，促使脂質(zhì)分析不斷完善。脂組學(xué)就是對生物樣本中脂質(zhì)的整體分析，是代謝組學(xué)的重要組成部分，能夠促進(jìn)代謝組學(xué)的發(fā)展。本文就脂質(zhì)的生物功能、脂質(zhì)分析以及脂組學(xué)的研究現(xiàn)狀作簡要評述。

【關(guān)鍵詞】 脂組學(xué)，脂質(zhì)分析，電噴霧離子化質(zhì)譜，代謝組學(xué)，評述

1 引 言

脂類物質(zhì)是生物體的能量提供者，參與了大量的生命活動(dòng)，具有非常重要的生理功能。脂質(zhì)分子在與其它化合物的相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的代謝過程，對生物體疾病的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生重要影響。據(jù)報(bào)道，很多疾病都與脂代謝紊亂有關(guān)，如：糖尿病、肥胖病、老年癡呆癥、癌癥等[1～6]。因此，生命體中脂類物質(zhì)及其代謝過程的研究成為疾病發(fā)病機(jī)理和診斷治療以及醫(yī)藥研發(fā)過程的重點(diǎn)。為了得到生物樣本中更為全面的脂質(zhì)信息，更好地反映生物體內(nèi)脂類物質(zhì)的作用機(jī)制，并能找到與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物或代謝規(guī)律，為疾病的治療提供科學(xué)依據(jù)，科學(xué)家已經(jīng)將脂質(zhì)的整體分析做為了研究的重點(diǎn)。

隨著生命分析化學(xué)的發(fā)展，電噴霧離子化質(zhì)譜(ESIMS)成功地運(yùn)用到脂質(zhì)的分析，特別是色譜質(zhì)譜技術(shù)的聯(lián)用，為脂質(zhì)的整體分析提供了技術(shù)支持，也加速了脂組學(xué)的誕生。2003年，Han等[7]正式提出了脂組學(xué)(Lipidomics) 的概念，即對生物樣本中脂質(zhì)進(jìn)行全面的系統(tǒng)分析，并以此為依據(jù)推測其它與脂質(zhì)作用的生物分子的變化，進(jìn)而揭示脂質(zhì)在各種生命現(xiàn)象中的重要作用機(jī)制。上世紀(jì)90年代興起的代謝組學(xué)，是以分析生命體中的所有小分子代謝物為研究內(nèi)容的。對脂質(zhì)及其代謝物進(jìn)行整體分析的脂組學(xué)，則可以看作是代謝組學(xué)的一個(gè)分支，并能夠在一定程度上促進(jìn)代謝組學(xué)的發(fā)展。

目前，脂組學(xué)已經(jīng)受到越來越多科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注[8]，其中以美國的研究機(jī)構(gòu)最為著名：美國國立綜合醫(yī)學(xué)研究所(National lnstitute of general medical sciences， NIGMS)、由王學(xué)敏教授領(lǐng)導(dǎo)組建的堪薩斯州立大學(xué)脂組學(xué)研究中心(Kansas lipdomics research center，KLRC) 和華盛頓大學(xué)的ORY課題組;歐洲和亞洲也同樣出現(xiàn)了脂組學(xué)的研究機(jī)構(gòu)：格拉茨大學(xué)、奧地利科學(xué)院及格拉茨技術(shù)大學(xué)等共同成立了格拉茨脂組學(xué)研究中心(Lipidomics research center graz，LRCGraz);新加坡國立大學(xué)Wenk教授也成立了Lipid Profile課題組。此外，還有很多課題組致力于脂組學(xué)與代謝組學(xué)的研究。

可見，脂組學(xué)的研究已經(jīng)成為眾多科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。本文就脂組學(xué)的研究現(xiàn)狀作簡要評述，并通過了解脂組學(xué)與代謝組學(xué)等其它組學(xué)的關(guān)系，對脂組學(xué)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2 脂的分類與生物功能

脂質(zhì)在化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)上有很大差異，但都有一個(gè)共同特性，即：不溶于水而易溶于乙醚、氯仿等非極性溶劑。脂質(zhì)通常分為真脂和類脂兩大類 (如圖解1所示)。脂質(zhì)是組成生物體的重要成分，如磷脂是構(gòu)成生物膜的重要組分，油脂是機(jī)體代謝所需燃料的貯存和運(yùn)輸載體。脂類物質(zhì)也可為動(dòng)物機(jī)體提供必需的脂肪酸和脂溶性維生素。某些萜類及類固醇類物質(zhì)如維生素A，D，E，K，膽酸及類固醇激素具有營養(yǎng)、代謝及調(diào)節(jié)功能。有機(jī)體表面的脂類物質(zhì)有防止機(jī)械損傷與熱量散發(fā)等保護(hù)作用。脂類作為細(xì)胞的表面物質(zhì)，與細(xì)胞識(shí)別、種特異性和組織免疫等有密切關(guān)系。對脂質(zhì)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)充分了解其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而確定樣本分析的色譜分離條件和質(zhì)譜條件。

3 脂組學(xué)及其研究現(xiàn)狀

3.1 脂組學(xué)的研究內(nèi)容及特點(diǎn)

脂組學(xué)的研究內(nèi)容為生物體內(nèi)的所有脂質(zhì)分子，并以此為依據(jù)推測與脂質(zhì)作用的生物分子的變化，揭示脂質(zhì)在各種生命活動(dòng)中的重要作用機(jī)制[7～10]。通過研究脂質(zhì)提取物， 可獲得脂質(zhì)組 (Lipidome)的信息，了解在特定生理狀態(tài)下脂質(zhì)的整體變化。脂組學(xué)是代謝組學(xué)不可或缺的一部分。脂組學(xué)的研究有以下優(yōu)勢：只研究脂質(zhì)物質(zhì)及其代謝物，脂質(zhì)物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)決定了樣品前處理及分析技術(shù)平臺(tái)的搭建較為容易，而且可以借鑒代謝組學(xué)的研究方法;脂組學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立和完善速度較快，并能建立與其它組學(xué)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系;脂質(zhì)組分析的技術(shù)平臺(tái)可用于代謝組學(xué)的研究，促進(jìn)代謝組學(xué)發(fā)展。

3.2 脂組學(xué)的研究方法

3.2.1 樣品制備 脂質(zhì)主要從細(xì)胞、血漿、組織等樣品中提取。由于脂質(zhì)物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上有共同特點(diǎn)，即有極性的頭部和非極性的尾部。所以，脂質(zhì)采用了氯仿和甲醇的混合提取液，能夠更好地溶出樣本中的脂質(zhì)物質(zhì)。Yoo 等[11]將 3 mL的氯仿/甲醇 (1∶2， V/V) 加入 4 mL的細(xì)胞懸浮液，然后加入 0.8 mL水，超聲 0.5 min，再加入 1 mL氯仿和 1 mL水后 2000×g 離心 5 min，室溫靜置 30 min，取氯仿層，氮?dú)獯蹈?，進(jìn)樣前采用流動(dòng)相溶解干物待用。這種脂質(zhì)提取方法，能夠提出血漿、腦組織樣品中的總脂[1， 12]。Matyash 等[13]用甲基叔丁酰乙醚(methyltertbutyl ether， MTBE)提取樣品中的脂質(zhì)物質(zhì)。這種方法簡化了富集過程，降低了損失率，不溶于MTBE的雜質(zhì)在容器底部形成小球，容易離心去除。結(jié)果表明，用MTBE提取比脂質(zhì)提取的“金標(biāo)準(zhǔn)”—— Folch or bligh and dyer recipes效果更好。

對于只檢測總脂中的部分脂質(zhì)，固相萃取(SPE) 是一個(gè)較好的方法。Persson等[14]發(fā)展了利用C18柱和硅膠柱分離萃取腸液中磷脂、中性脂等包含游離脂肪酸的方法。譚力等[15]采用硅膠固相萃取柱萃取可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)處理較多數(shù)量的樣品，操作簡單，重復(fù)性好。

3.2.2 脂質(zhì)的檢測方法 隨著分析技術(shù)的不斷發(fā)展，脂類的分析方法也在不斷的改進(jìn)?？傮w而言，大部分的分析技術(shù)都能用來分析脂質(zhì)，包括：脂肪酸、磷脂、神經(jīng)鞘磷脂、甘油三酯和類固醇等。常規(guī)的薄層色譜(Thin layer chromatography， TLC)已被分辨率更好的色譜技術(shù)所取代。與其它研究方法相比，ESI/MS方法有其自身的特點(diǎn)：樣品前處理簡單、分辨率高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合對脂質(zhì)混合物(尤其是磷脂混合物)進(jìn)行快速、靈敏和高通量的定性定量研究[8， 16，17]。色質(zhì)聯(lián)用的引入極大地推動(dòng)了脂組學(xué)的發(fā)展，其中的核心技術(shù)就是ESI/MS，加上色譜等技術(shù)對樣品中脂質(zhì)分離的強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了脂質(zhì)分離鑒定的高通量、高靈敏度和高效率。多維的質(zhì)譜技術(shù)在脂組學(xué)的研究中也取得了新的進(jìn)展[18]。

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GCMS) 適合檢測分子量小于500 Da的所有種類脂質(zhì)分子。利用GCTOF技術(shù)平臺(tái)中的BinBase 和 SetupX，能夠一次性得到800種脂質(zhì)類化合物中的80種物質(zhì)的半定量結(jié)果，并可根據(jù)FiehnLib的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證結(jié)果的可靠性[19]。

用于脂質(zhì)分析的液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)主要包括：高效液相色譜芯片質(zhì)譜聯(lián)用 (High performance liquid chromatographychip/Mass spectrum， HPLCChip/MS)，超高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用 (Ultraperformance liquid chromatographyMass spectrum， UPLC/MS)，超高效液相色譜質(zhì)傅立葉變換質(zhì)譜聯(lián)用(Ultraperformance liquid chromatography/fourier transformMass spectrum， UPLC/FTMS)，液相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用(Liquid ChromatographyTime of Flight/Mass Spectrum， LCTOF/MS)。質(zhì)荷比為100～2000的脂質(zhì)輪廓都可以通過液質(zhì)聯(lián)用方法得到。色譜技術(shù)可以使血漿或組織樣品中的干擾得到較好地分離，但會(huì)延長分析時(shí)間，并對流動(dòng)相有一定要求。Pang等[1]建立了正相液相色譜/飛行時(shí)間質(zhì)譜分析血漿中腦磷脂(Glycerophosphoehtanolamine， PE)， 磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol， PG)， 磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol， PI)， 磷脂酰絲氨酸(Phosphatidylserine， PS)， 磷酸卵磷酯 (Phosphatidylcholine， PC)， 鞘磷脂 (Sphingomyelin， SM) 和 溶血磷脂膽堿 (Lyso phosphatidylcholine， LysoPC)等7大類磷脂的方法，定量分析正常人、糖尿病、糖尿病和腎病不同分期患者血漿樣品中7類磷脂，并發(fā)現(xiàn)了7類磷脂在糖尿病和腎病患者不同分期階段的變化規(guī)律，為糖尿病和腎病患者磷脂代謝研究提供了有效可靠的辦法。

nano ESIFT/MS是基于芯片技術(shù)的電噴霧傅立葉轉(zhuǎn)換質(zhì)譜(Nano electrospray fourier transform/Mass spectrum)，用于脂質(zhì)的快速分類、半定量、結(jié)構(gòu)鑒定以及脂質(zhì)指紋圖譜的建立。利用NanoMate 芯片與高分辨率的傅立葉變換質(zhì)譜FTMS或Orbitrap 技術(shù)可以在1 min內(nèi)快速得到血漿和組織 (植物、人類、細(xì)菌等) 的粗提物中脂質(zhì)的輪廓。Kraft等[20]建立了nano ESIFT MS對脂膜進(jìn)行分析的新方法，能在納米水平上測定膜上不同脂質(zhì)的分布，從而獲得“脂質(zhì)膜相結(jié)構(gòu)”的信息。大多數(shù)膜的脂質(zhì)分子組成是類似的，平均只有20%的偏差。這種差別是由膜上脂質(zhì)分子的分類機(jī)制決定的。Schneiter等[21]利用nanoESIMS/MS研究了釀酒酵母膜的脂質(zhì)分子組成，發(fā)現(xiàn)基于?；湻诸悪C(jī)制維持了酵母細(xì)胞膜脂質(zhì)分子種類的組成。Holz等[22]同時(shí)定性和定量了視網(wǎng)膜色素細(xì)胞中的脂褐素(Lipofuscin， LF)，定量結(jié)果表明，LF的含量隨著年齡的增長與視網(wǎng)膜病情的嚴(yán)重程度升高，脂質(zhì)分子組成的改變會(huì)影響脂質(zhì)代謝以及脂質(zhì)物質(zhì)整體的深層變化。該方法為視網(wǎng)膜疾病發(fā)病機(jī)制的研究提供了重要的技術(shù)支持。

3.2.3 脂組學(xué)研究的相關(guān)數(shù)據(jù)庫 隨著脂組學(xué)的迅速發(fā)展過程，相關(guān)數(shù)據(jù)庫也逐步建立?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)庫能夠查詢脂質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)譜信息、分類及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)信息等，其功能也越來越完善。數(shù)據(jù)庫的建立無疑成為推動(dòng)脂組學(xué)自身發(fā)展的良好工具。最大的數(shù)據(jù)庫LIPID Maps，是由美國國立綜合醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)(National institute of general medical sciences， NIGMS)組織構(gòu)建的。它包含了脂質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)信息、質(zhì)譜信息、分類信息、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)庫中除了游離脂肪酸、膽固醇、甘油三酯、磷脂等8000余種單一脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息外，還包括了81個(gè)大類、276個(gè)亞類脂質(zhì)化合物的結(jié)構(gòu)信息。除此之外，不少國家和科研團(tuán)隊(duì)也建立了自己的數(shù)據(jù)庫 (脂組學(xué)數(shù)據(jù)庫如表1所示)。表1 脂組學(xué)研究應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫

3.3 脂組學(xué)的研究現(xiàn)狀

3.3.1 脂組學(xué)在醫(yī)藥研發(fā)中的應(yīng)用 近年來，研究者對脂質(zhì)的研究興趣重新被激活，質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用也使脂組學(xué)的發(fā)展日趨迅猛。脂質(zhì)是生物事件從膜運(yùn)輸?shù)酱x信號最基本的因子。脂質(zhì)代謝的擾動(dòng)與代謝紊亂和疾病的發(fā)展密切相關(guān)[6]。由于這些擾動(dòng)可能發(fā)生在分子水平，全面解決復(fù)雜脂質(zhì)的量化問題變得非常必要。隨著液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的不斷發(fā)展，基于四級桿飛行時(shí)間雜交質(zhì)譜儀 (QSTAR Pulsar) 的鳥槍脂組學(xué)已使復(fù)雜分子構(gòu)成的脂質(zhì)的同時(shí)定性與定量分析成為可能[23～25]。Ejsing等[26]得到了微量樣本的總脂提取物中數(shù)百種脂質(zhì)分子的定量輪廓。這一成果在實(shí)驗(yàn)室研究和制藥行業(yè)中，特別是在生物標(biāo)志物和藥物發(fā)現(xiàn)過程領(lǐng)域引起了極大的興趣，更高通量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以預(yù)見的。高通量、半自動(dòng)化的方法學(xué)的新發(fā)展已經(jīng)開始傾向于鳥槍脂組學(xué)的研究。機(jī)器人輔助樣本制備顯著提高了數(shù)據(jù)自動(dòng)解釋的效率，并能夠在數(shù)據(jù)質(zhì)量沒有任何損失的情況下完成大量樣本的分析。隨著鳥槍脂組學(xué)的不斷發(fā)展，豐度相當(dāng)小的脂質(zhì)分子的定量測定也是可以實(shí)現(xiàn)的。更多的脂質(zhì)輪廓的建立會(huì)加強(qiáng)磷脂在細(xì)胞膜和代謝功能障礙殊作用的解釋。這將有利于發(fā)現(xiàn)具有更好選擇性和非毒性的藥物靶點(diǎn)。Su等[2]發(fā)現(xiàn)糖尿病鼠心肌細(xì)胞內(nèi)鈣不依賴性磷脂酶A2(iPLA2)的表達(dá)對心肌缺血或心律不齊有重要影響。通過模擬和優(yōu)化與iPLA2特異結(jié)合的脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，有望找到一種有效的以iPLA2為靶蛋白的治療糖尿病、心肌炎的新藥。脂組學(xué)還能作為評價(jià)藥物療效的一個(gè)輔助手段。Huang等[27， 28]研究了甲基硝基亞硝基肌(NmethylNnitroNnitrosoguanidine， MNNG) 對SM的作用，發(fā)現(xiàn)MNNG不但能引起SM代謝的變化，而且SM代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶——酸性鞘磷脂酶出現(xiàn)由分散到集中于脂筏的趨勢。因此，逆轉(zhuǎn)脂代謝紊亂有利于疾病的治療，監(jiān)測藥物作用后機(jī)體內(nèi)脂代謝變化情況，及時(shí)反應(yīng)機(jī)體生理生化狀態(tài)的改變，有助于評價(jià)藥物的藥效及確定可能的副作用。

目前所面臨的挑戰(zhàn)則是精確找到脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)定義上的作用位點(diǎn)，精確指定每個(gè)不飽和脂肪酸雙鍵的位置，并對這些脂質(zhì)進(jìn)行高通量的量化。Thomas等[29]證實(shí)臭氧誘導(dǎo)解離技術(shù) (Ozoneinduced dissociation technology， OzID) 與鳥槍脂組學(xué)的整合應(yīng)用是非常有前途的。因此，高通量的鳥槍脂組學(xué)具有巨大的潛力，并會(huì)在細(xì)胞生物學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和生物標(biāo)志物的診斷方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.3.2 脂生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn) 隨著分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，有關(guān)低豐度的脂質(zhì)分子分析與量化的方法已多有報(bào)道。運(yùn)用這些方法，代謝綜合癥和其它脂質(zhì)相關(guān)的疾病的生化機(jī)制得到明確闡釋。更重要的是，對疾病發(fā)生發(fā)展過程中脂質(zhì)生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)有重要意義[30]。Brugger等[31]借助質(zhì)譜方法詳細(xì)分析了HIV與其宿主的膜脂組的差異，發(fā)現(xiàn)病毒富集二氫鞘磷脂(Dihydrosphingomyelin)，而且當(dāng)抑制宿主細(xì)胞的鞘脂質(zhì)合成途徑后，傳染率明顯下降，由此推斷這類脂質(zhì)在HIV復(fù)制循環(huán)中起關(guān)鍵作用。通過系統(tǒng)研究病原體的脂質(zhì)組，還能有效地確定在宿主病原體交互作用時(shí)起作用的脂質(zhì)，進(jìn)而找到相關(guān)的致病途徑。Han等[32]運(yùn)用脂質(zhì)組學(xué)方法分析糖尿病鼠心肌線粒體膜脂急劇減少的細(xì)節(jié)，指出心肌磷脂及其直接的代謝前體(Phosphatidylglycerol， PG) 在糖尿病人并發(fā)心肌病時(shí)起關(guān)鍵作用，并以此為依據(jù)，提出了糖尿病心肌病在發(fā)病學(xué)上的一種可能代謝紊亂機(jī)制。

3.3.3 脂組學(xué)在疾病診斷中的應(yīng)用 發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)的診斷指標(biāo)是進(jìn)行疾病診斷的關(guān)鍵。脂組學(xué)所提供的方法能夠監(jiān)測疾病患者與正常人之間的脂質(zhì)的變化，從其中找到差異較大的脂質(zhì)化合物，作為疾病早期診斷的指標(biāo)。Gadomska等[33]定量研究了4例健康的年紀(jì)相符的女性、64例卵巢癌患者和27例良性卵巢腫瘤患者血清中各種膽固醇及脂蛋白的含量變化。結(jié)果表明：以載脂蛋白AI (aPoAI) 和游離膽固醇 (FC) 為診斷指標(biāo)排除卵巢瘤的正確率高達(dá)95.5%，綜合aPoAI，F(xiàn)C，高密度脂蛋白游離膽固醇 (HDLFC)、高密度脂蛋白總膽固醇 (HDLTC)、載脂蛋白B (aPoB) 及高密度脂蛋白3 (HDL3) 片斷診斷卵巢癌的準(zhǔn)確率達(dá)到97%。另有研究報(bào)道溶血磷脂酸在卵巢癌的診斷中表現(xiàn)出高度的敏感性和特異性，能夠作為早期診斷卵巢癌及術(shù)后隨訪的生物學(xué)指標(biāo)[34]。

4 脂組學(xué)與代謝組學(xué)的關(guān)系

代謝組學(xué)與蛋白組學(xué)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)相互關(guān)聯(lián)共同組成整體的系統(tǒng)生物學(xué)。組學(xué)的研究是以物質(zhì)組為基礎(chǔ)的研究，是考察“系統(tǒng)”與“系統(tǒng)”的相互作用[35]。代謝組學(xué)則是研究生物體內(nèi)所有小分子代謝產(chǎn)物的一門學(xué)科，現(xiàn)在已經(jīng)派生出了糖組學(xué)、毒素組學(xué)和其它一些以單一化學(xué)物質(zhì)組為研究對象的分支，脂組學(xué)也是其中的成員之一 (如圖解2所示)。脂組學(xué)通過研究脂質(zhì)提取物，可以獲得脂質(zhì)組(Lipidome) 的信息，它反映了在特定生理狀態(tài)下脂質(zhì)的整體變化。研究生物體在正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)下脂代謝的整體差異，識(shí)別疾病脂生物標(biāo)志物，結(jié)合相關(guān)酶的研究，就有可能深入地研究代謝途徑或致病機(jī)制，最終發(fā)展出有效的診斷和治療手段。

Scheme 2 Relationship between lipidomics and metabonomics代謝物是生理活動(dòng)中基因水平和蛋白質(zhì)水平調(diào)控的終端體現(xiàn)。因此，脂組學(xué)作為代謝組學(xué)的分支能與基因組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)相互結(jié)合， 對生物現(xiàn)象進(jìn)行不同層次的分析，加深對生命本質(zhì)的了解。脂組學(xué)可以借鑒代謝組學(xué)技術(shù)的整合運(yùn)用[36]，增加脂質(zhì)分析中的信息含量，通過多維的數(shù)據(jù)處理，建立其與蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。van Helemond等[37]結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)和脂組學(xué)對血吸蟲外殼膜的成分進(jìn)行分析，確定了血吸蟲在進(jìn)行養(yǎng)分?jǐn)z取和免疫逃避時(shí)起作用的外殼上的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)血吸蟲外殼富集宿主缺乏的脂質(zhì)，而且外殼上富集的蛋白質(zhì)也與數(shù)據(jù)庫內(nèi)其它物種表現(xiàn)的蛋白質(zhì)不同，這意味著可能是這些特殊的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)造成了外殼的獨(dú)特功能。但是，研究這些特殊蛋白的功能特征依然存在很大的挑戰(zhàn)，需要借助基因組學(xué)中的RNAi “擊倒” (RNAinterference“knock down”)技術(shù)[38， 39]，對其進(jìn)行表型鑒定，從而闡釋特異蛋白和脂質(zhì)的功能。因此，脂組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)的結(jié)合能夠更好地闡釋化合物在生物體內(nèi)的功能及作用機(jī)制。

5 展 望

脂組學(xué)自誕生以來發(fā)展迅猛，已經(jīng)在細(xì)胞生物學(xué)、疾病診斷、疾病生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)及醫(yī)藥研發(fā)等方面取得了相應(yīng)的進(jìn)展。但由于起步晚，其仍處于一個(gè)早期發(fā)展階段，存在許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于脂質(zhì)種類繁多，相互作用復(fù)雜，現(xiàn)有的分析技術(shù)不能同時(shí)將生物樣本中的脂質(zhì)完全檢測出來。但是，脂組學(xué)所表現(xiàn)出來的巨大潛力不容忽視，特別是鳥槍脂組學(xué)的迅猛發(fā)展，加快了復(fù)雜脂質(zhì)分子的定性和高通量量化等問題的解決。隨著分析技術(shù)的不斷發(fā)展，脂質(zhì)分析會(huì)登上一個(gè)新的臺(tái)階，人們對脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)將逐步加深，也將為遺傳和細(xì)胞生物學(xué)發(fā)現(xiàn)新的脂質(zhì)分子的作用機(jī)制提供可能的手段。此外，脂組學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立和完善對脂組學(xué)的研究將起到非常大的促進(jìn)作用。

近年來，代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)等技術(shù)的不斷發(fā)展對脂組學(xué)的研究起到了積極的帶動(dòng)作用。脂組學(xué)與其它組學(xué)的整合不但為生物體中脂脂、脂蛋白質(zhì)及相關(guān)基因調(diào)控的相互作用提供數(shù)據(jù)支持，不斷完善著生物體的代謝網(wǎng)絡(luò)，為尋找致病機(jī)制及與其相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物提供新的手段，也為毒理學(xué)研究提供嶄新視角?？梢哉f，脂組學(xué)與蛋白組學(xué)、基因組學(xué)的整合運(yùn)用將增加脂質(zhì)研究的數(shù)據(jù)信息，為藥物研發(fā)、發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的臨床前和早期臨床階段了解脂質(zhì)功能提供了新的契機(jī)[40]。要充分發(fā)揮代謝組學(xué)研究的優(yōu)勢，從脂代謝水平研究疾病的發(fā)生、發(fā)展過程的變化規(guī)律，尋找疾病相關(guān)的脂生物標(biāo)志物，進(jìn)一步提高疾病的診斷效率，并為疾病的治療提供更為可靠的依據(jù)。脂組學(xué)能夠在一定程度上促進(jìn)代謝組學(xué)的發(fā)展，并通過代謝組學(xué)技術(shù)的整合運(yùn)用建立與其它組學(xué)之間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生物學(xué)的整體進(jìn)步。

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