代谢组学在后基因组时代的作用

基于核磁共振技术的代谢组学研究,是近几年发展起来的一种新的“组学”技术. 它主要利用生物体液的核磁共振谱,提供了生物体内全部小分子代谢物的丰富信息. 代谢组学在功能基因组学、病理生理学、药理毒理学等方面都有着广泛的应用前景. 文章综述了代谢组学研究方面的最新进展.     

SIRT7基因低表达胶质瘤细胞株代谢特征的NMR分析

肿瘤是一种代谢疾病，癌基因表达对肿瘤细胞代谢的影响是目前肿瘤研究的热点之一.本文利用基于核磁共振氢谱（¹H NMR）的代谢组学方法对癌基因SIRT7低表达胶质瘤细胞株的代谢特征进行分析，寻找与SIRT7基因表达相关的特征性代谢物和代谢通路.分析结果表明，SIRT7基因低表达组与对照组细胞的代谢轮廓存在显著性差异，其细胞水溶性萃取物中有22种代谢物浓度发生明显变化.与对照组相比，SIRT7基因低表达胶质瘤细胞株中乳酸、甘氨酸、谷氨酸等12种代谢物浓度升高；缬氨酸、亮氨酸、赖氨酸等10种代谢物浓度降低.通路富集分析提示氨酰-tRNA生物合成、氨基酸代谢等代谢通路与SIRT7低表达密切相关.以上结果为进一步阐明癌基因SIRT7调控胶质瘤细胞代谢的作用机制提供了理论依据.     

热纤梭菌中心代谢产物的归属及初步代谢组分析

热纤梭菌(Clostridium thermocellum)是一种能够高效利用木质纤维素的嗜热厌氧革兰氏阳性菌,是目前利用整合生物加工技术生产纤维素乙醇的最重要的候选菌株之一.代谢物组可以反映细胞和环境因子相互作用,是系统生物学的重要组成部分.目前,尚无使用核磁共振(NMR)方法对热纤梭菌的代谢组进行研究的报道,而对热纤梭菌代谢物的归属是进行代谢组研究的基础.该文通过1H NMR和2D NMR技术,对热纤梭菌的中心代谢产物进行了归属.在归属过程中,发现了若干特殊的重要代谢产物,包括纤维糊精、磷酸烯醇式丙酮酸、赤藓糖-4-磷酸等.这些代谢物对热纤梭菌的胞内代谢具有特殊的意义.利用已归属的代谢物,对热纤梭菌的野生型和乙醇耐受菌株进行初步的代谢组分析表明,热纤梭菌乙醇耐受性的获得,可能与纤维二糖主动合成纤维糊精途径、非氧化磷酸戊糖途径的增强及糖酵解路径的抑制密切相关.     

电离辐射对小鼠肾脏影响的代谢组学研究

电离辐射对生物体影响是目前生物医学领域研究的热点之一.本文利用基于核磁共振氢谱（¹H NMR）的代谢组学技术研究来自暴露于不同的电离辐射的C57BL/6J小鼠的肾脏的水溶性萃取物,并试图寻找电离辐射对小鼠肾脏影响的特异性生物标志物.分析结果表明,辐射组可与相应的对照组明显区分.在所发现的75个代谢物中,有6种代谢物的浓度发生显著性变化,分别为2-氨基丁酸、3-羟基丁酸、高丝氨酸、1,3-丙二胺、β-丙氨酸和抗坏血酸.这些代谢物可能成为高剂量电离辐射对生物体肾脏代谢影响的标志物.     

棕色脂肪组织和白色脂肪组织的代谢组学研究

棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)在机体的能量代谢中起着极其重要的作用,且被认为是治疗肥胖的潜在靶点之一,然而目前对于BAT功能的代谢基础并不清楚.该文使用了基于核磁共振(NMR)和气相色谱(GC)技术的代谢组学方法,描述和比较了BAT与白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)的水溶性代谢物和脂肪酸组成的差异.研究结果表明,两种脂肪组织在糖代谢、氨基酸代谢、脂肪酸代谢、核苷酸代谢、胆碱代谢等多种代谢通路上均具有显著性差异,且这些差异与两种组织不同的生物学作用密切相关.以上研究结果将为解析BAT功能分子机制提供了线索和基础数据.     

不同病程的结核病患者的血浆代谢组学研究

结核病(tuberculosis,TB)是第二大由单一病原菌感染引起的致死性疾病,致死率仅次于艾滋病.与疾病进展相关的代谢标志物的发现有利于病情的防治,而代谢组学研究则是发现代谢标志物的重要手段之一.目前与TB病人相关的代谢组学研究还不多.该文利用基于核磁共振氢谱(1H NMR)的代谢组学技术,对不同病情程度TB患者的血浆代谢组进行了研究.正交偏最小二乘法判别分析(OPLS-DA)结果显示TB各组与健康对照组均可明显分离.统计分析发现,缬氨酸、丙氨酸、肌酸和3-羟基丁酸等代谢物在TB各组含量普遍高于对照组;乳酸、丙酮酸、N-乙酰糖蛋白、亮氨酸和谷氨酸等代谢物在疾病进展过程中呈逐渐增加的趋势,而三羧酸(tricartexylic acid,TCA)循环的中间产物——柠檬酸则呈逐渐降低的趋势,表明了代谢紊乱随疾病的逐渐变化过程.这些差异代谢物的变化表明TB患者体内能量代谢与糖酵解增强、脂肪酸生酮作用增强、TCA循环受阻、氨基酸代谢紊乱.     

代谢组学方法分析鸡胚胎发育过程中脑代谢物

本文应用高分辨魔角旋转核磁共振（HR-MAS NMR）方法对发育过程中（孵化12天至出壳后1天）鸡胚胎大脑、小脑和视叶3种脑组织中的代谢物含量进行了测定,并利用模式识别方法对整体代谢特征进行了归类分析. 结果表明：胚胎发育过程中不同脑区的代谢物组成存在差异,可能与这些脑区的功能及发育特征等的不同有关. 在NMR方法检测到的多种小分子代谢物中,γ-氨基丁酸、N-乙酰天冬氨酸、牛磺酸、肌醇以及胆碱等在鸡胚胎脑组织中的分布有区域性差异,这些差异也是区分大脑、小脑和视叶组织的特征性代谢物.     

三种氘标记的葡萄糖在大鼠脑胶质瘤细胞中的代谢特征对比

磁共振氘(²H)成像是近年来涌现出的一种能在活体水平下实现特定代谢通路可视化的分子代谢成像方法,在癌症检测等重大疾病方面具有极好的临床应用前景．本文分析了三种不同氘标记葡萄糖——[6,6’-²H₂]-葡萄糖、[2,3,4,6,6’-²H₅]-葡萄糖和[1,2,3,4,5,6,6’-²H₇]-葡萄糖在脑胶质瘤细胞中的代谢特征差异．将大鼠脑胶质瘤C6细胞与三种氘标记的葡萄糖一起孵育,收集不同时刻细胞培养基样品,采用核磁共振波谱仪对样品进行核磁共振氘谱采集,获取不同时间三种氘标记葡萄糖的消耗量以及下游代谢产物水和乳酸的产量,从而得出三种氘标记葡萄糖探针在肿瘤细胞中的消耗速度以及代谢物的生成速度等动态代谢特征．结果显示在细胞实验中三种氘标记葡萄糖均能够显示出肿瘤细胞的代谢特征,且葡萄糖的消耗速度并无显著性差异,氘标记水和氘标记乳酸的产量也符合理论估算．因此本文认为低成本的氘标记葡萄糖探针[2,3,4,6,6’-²H     

代谢组NMR分析与药物毒理研究

代谢组学是定量研究生物体内源性代谢物整体及其变化规律的科学,是系统生物学的一个重要组成部分. 通过代谢组分析,可以较为全面地认识给定生物系统受内因或外因的影响后其生物化学过程变化的规律. 目前,代谢组分析检测技术主要包括核磁共振波谱技术及色谱-质谱联用技术. 代谢组数据分析和挖掘技术主要包括非监督与监督的多变量分析模式识别方法. 目前已被广泛应用于病理生理、基因功能、药物毒理和环境毒理等领域. 该文简要综述了代谢组NMR分析中的实验设计、NMR谱的获取、模式识别技术和代谢组学在药物毒理评价中的应用.      

NMR分析胶质瘤细胞系CHG5和U87的代谢轮廓

胶质瘤是中枢神经系统最常见的恶性肿瘤,其发病原因和恶性进展机制均不明确,给胶质瘤的临床诊疗带来很大困难.胶质瘤恶性进展伴随着癌细胞代谢改变,但可以反映胶质瘤恶性进展的代谢物信息和分子机制目前仍不清楚.该研究以两种不同恶性程度的胶质瘤细胞系CHG5和U87为研究对象,用基于NMR的代谢组学方法分析这两种胶质瘤细胞系的代谢轮廓,寻找差异性代谢物.结果表明CHG5和U87的代谢轮廓存在明显差异.在高恶性程度的U87细胞中,柠檬酸盐(citrate)等15种代谢物有上升趋势;而乳酸盐(lactate)、牛磺酸(taurine)等6种代谢物有下降趋势.以上结果表明这些差异性代谢物可能与胶质瘤细胞的恶性特性密切相关.这些从胶质瘤细胞系获取的代谢信息将成为临床标本代谢组学研究的重要前提和有益补充.     

涡虫代谢物组成的核磁共振分析

作为扁形动物门的代表动物,涡虫因其特殊的演化地位和极强的再生能力,迅速成为实验动物学、细胞遗传学、发育生物学和再生生物学等研究中的理想模式生物. 众多与涡虫相关的研究都取得了突破性进展,而其在核磁共振和代谢组领域的相关科研报道却极为匮乏. 该研究使用甲醇水提取方法获得了涡虫身体提取物样品,同时利用高分辨的1 GHz NMR谱仪对该样品采集了¹H NMR谱图和5种2D NMR谱图（¹H-¹H COSY,¹H-¹H TOCSY,¹H-¹H J-RES,¹H-¹³C HSQC和¹H-¹³C HMBC）. 通过归属得到涡虫身体提取物里所含有的53种代谢物质,包括氨基酸、糖类、脂类、有机羧酸、酮体、胺类、胆碱类以及核苷酸等. 这些物质覆盖了多种代谢途径,为涡虫代谢组研究提供了基本的NMR相关信息.     

大鼠尿液中N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷的NMR分析

N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷是尿液代谢组的两种重要组成成分,但是其核磁共振信号的归属仍不完善.该文采用多种2D NMR谱(1H-1H COSY,1H-1H TOCSY,1H-1H J-RES,1H-13C HSQC和1H-13C HMBC)对尿液中N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷的结构进行了确定,并对其1H和13C的化学位移进行了归属.     

羧甲基-β-1,3-葡聚糖对人肝癌HepG2细胞的放射增敏作用

本研究旨在探讨羧甲基-β-1,3葡聚糖（CMG）对人肝癌HepG2细胞X射线或12C6+离子束辐射敏感性的影响。首先用CCK-8法检测CMG对HepG2细胞的生长抑制情况,得到半数抑制浓度（IC50）为120.6μg/mL。用浓度为0.1×IC50的CMG预处理HepG2细胞24 h,再给予2 Gy X射线或12C6+离子束辐照（CMG+辐照组）;CMG未处理组直接接受2 Gy X射线或12C6+离子束辐照（辐照组）。对比分析辐照组和CMG+辐照组细胞的克隆存活、DNA损伤、凋亡与周期分布、细胞内活性氧（ROS）水平。发现:与X射线辐照组相比,相同剂量的12C6+离子辐照组克隆存活率更小,DNA损伤和周期阻滞更加严重,细胞凋亡率和细胞内ROS水平也更高。与单独X射线或12C6+离子束辐照组相比,CMG+辐照组克隆存活率明显降低,细胞凋亡率随辐照后CMG作用时间的延长而明显增加,CMG使辐照后细胞内ROS维持在一个较高的水平,同时CMG明显加重了单独辐照诱导的DNA损伤和周期阻滞。结果表明,与X射线相比,HepG2细胞对相同剂量的12C6+离子辐射更敏感;CMG可增加HepG2细胞对X射线或12C6+离子辐射的敏感性;CMG可能通过增加受照HepG2细胞内的ROS水平,加剧辐照诱导的DNA损伤,促进辐射诱导细胞凋亡而起到辐射增敏作用。This study aims to investigate the effect of carboxymethy-β-1, 3-glucan (CMG) on the sensitivity of human hepatoma HepG2 cells to X-rays or 12C6+ ions irradiation. First, the inhibitory effect of CMG on the growth of HepG2 cells was detected by CCK-8 assay, and the half maximal inhibitory concentration (IC50) was 120.6 μg/mL. HepG2 cells were pretreated with CMG at a concentration of 0.1×IC50 for 24 h and then irradiated with 2 Gy X-ray or 12C6+ ion beams (CMG + irradiation group). CMG untreated group was directly irradiated by 2 Gy X-rays or 12C6+ ions beam (irradiation group). The clone survival, DNA damage, cell apoptosis, cell cycle distribution, and intracellular reactive oxygen species (ROS) levels in irradiation group and CMG + irradiation group were comparatively analyzed. The results showed that the clone survival rate was lower, DNA damage and cycle arrest were more serious, and the rate of apoptosis and intracellular ROS levels were higher in 12C6+ ions irradiation group than those in the same dose of X-rays irradiation group. Compared with X-rays or 12C6+ ions irradiation group, the clone survival rate of CMG + irradiation group was significantly decreased, and the apoptosis rate significantly increased with the prolongation of CMG treatment post-irradiation; CMG maintained intracellular ROS at a higher level after irradiation, CMG also significantly aggravated radiation-induced DNA damage and cycle arrest. These results indicated that HepG2 cells were more sensitive to 12C6+ ions radiation than those at the same dose of X-rays. CMG increased the sensitivity of HepG2 cells to X-rays or 12C6+ ions irradiation by increasing intracellular ROS level, exacerbating radiation-induced DNA damage and promoting radiation-induced apoptosis in irradiated HepG2 cells.     

NMR-based metabonomic analyses of the effects of ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxide (USPIO) on macrophage metabolism

The metabonomic changes in murine RAW264.7 macrophage-like cell line induced by ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxides (USPIO) have been investigated, by analyzing both the cells and culture media, using high-resolution NMR in conjunction with multivariate statistical methods. Upon treatment with USPIO, macrophage cells showed a significant decrease in the levels of triglycerides, essential amino acids such as valine, isoleucine, and choline metabolites together with an increase of glycerophospholipids, tyrosine, phenylalanine, lysine, glycine, and glutamate. Such cellular responses to USPIO were also detectable in compositional changes of cell media, showing an obvious depletion of the primary nutrition molecules, such as glucose and amino acids and the production of end-products of glycolysis, such as pyruvate, acetate, and lactate and intermediates of TCA cycle such as succinate and citrate. At 48 h treatment, there was a differential response to incubation with USPIO in both cell metabonome and medium components, indicating that USPIO are phagocytosed and released by macrophages. Furthermore, information on cell membrane modification can be derived from the changes in choline-like metabolites. These results not only suggest that NMR-based metabonomic methods have sufficient sensitivity to identify the metabolic consequences of murine RAW264.7 macrophage-like cell line response to USPIO in vitro, but also provide useful information on the effects of USPIO on cellular metabolism.     

吲哚丙酮酸的酮-烯醇互变异构化的NMR 研究

吲哚丙酮酸是色氨酸代谢途径中的一种重要α-酮酸，但其酮-烯醇互变异构化现象及互变异构体的NMR 数据尚未见报道．该文采用多维NMR 技术研究了吲哚丙酮酸在不同溶剂中主要存在形式．使用2D NMR 谱对吲哚丙酮酸的烯醇式和酮式结构进行了NMR 研究．结果表明吲哚丙酮酸在乙腈溶液中主要以烯醇式结构存在，而在水溶液中主要以酮式结构存在．     

活体肝胵Fasciola hepatica及其高氯酸萃取物的31P及13C NMR研究

本工作报道了用³¹P NMR谱定量分析活体肝胵Fasiciola hepatica中含磷化合物的实验方法及一些初步结果,测定了活体肝胵体内含磷化合物的弛豫时间T₁,观察了无灌注循环系统时肝胵体内pH值变化。利用高氯酸萃取物测得的³¹P NMR谱,定出了各谱峰的归属,观察了用含糖及缺糖培养液培养的肝胵糖类养料的代谢变化,并利用¹³C NMR谱肯定了肝胵体内主要含磷化合物之一的α-甘油磷酰胆碱³¹P NMR谱峰的归属。     

一个A环开环型芳基萘内酯类木脂素2D NMR全归属

采用二维核磁共振技术(¹H-¹H COSY, DEPT, HSQC, HMBC, NOESY)和CD光谱,确定了A环开环型芳基萘内酯类木脂素3′, 4′-O, O-demethylene-4-O- demethylpodophyllotoxin (1)的结构. 首次对化合物1的¹³C NMR数据进行了全归属.     

二正丁基锡(IV)基羧酸酯的谱学表征

合成了10个二正丁基锡(IV)基羧酸酯化合物{[ⁿBu₂Sn (O₂CR)]₂O}₂(A1~A5)和ⁿBu₂Sn (O₂CR)₂(B1~B5)(R=1:CCl₃;2:CHCl₂;3:CH₂Cl;4:PhCH=CH;5:2,2,3,3-四甲基环丙基),其中A4、A5和B5为新化合物,对它们进行了元素分析和IR及、¹H、¹³C、¹¹⁹Sn NMR谱表征,重点讨论了¹³C和¹¹⁹Sn NMR谱的谱学特征及化学位移值与母体酸的PKa值大小的关系,并在此基础上推测了它们分子结构。