營養(yǎng)代謝組學(xué)的應(yīng)用探討

徐 慶，田科雄

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，長沙 410128）

代謝組（Metabolomics）是一個細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝組分的集合，尤其指小分子物質(zhì)，而代謝組學(xué)則是一門在新陳代謝的動態(tài)進程中，系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機體生命活動代謝本質(zhì)的科學(xué)。其所關(guān)注的是相對分子質(zhì)量為1 000以下的小分子物質(zhì)。代謝組學(xué)研究涉及核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）、液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）和氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）等技術(shù)，其研究過程包括前期的樣品制備、中期的代謝產(chǎn)物分離與檢測及鑒定、后期的數(shù)據(jù)分析與模型建立3個部分。

代謝途徑中所有基因表達(dá)活性、相關(guān)酶的活性以及作用于這些酶的效應(yīng)物決定各種代謝產(chǎn)物的生成量，代謝產(chǎn)物實際是基因表達(dá)終產(chǎn)物。因此，代謝組學(xué)所得到的信息與生物的表現(xiàn)型最接近，其研究的小分子物質(zhì)代表細(xì)胞調(diào)節(jié)的終產(chǎn)物，可以揭示生物系統(tǒng)受遺傳和環(huán)境因素影響后的變化規(guī)律與相關(guān)機制[1]。Solanky等運用基于NMR的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，表兒茶素（EC）可使SD大鼠內(nèi)源代謝物（肌酐、?；撬帷幟仕猁}和 α-酮戊二酸等）的水平發(fā)生明顯變化，即EC進入體內(nèi)影響了內(nèi)源性物質(zhì)的代謝途徑，包括代謝能力降低、碳水化合物代謝水平下降，肝、腎功能改變等[2]。鑒于代謝組學(xué)能為機體健康狀態(tài)提供重要信息，大量以代謝組學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合基因組學(xué)（基因型分析）、轉(zhuǎn)錄組學(xué)（基因表達(dá)分析）及蛋白質(zhì)組學(xué)（蛋白質(zhì)全局分析）的營養(yǎng)代謝組學(xué)研究發(fā)展起來。

1 PPARγ共激活因子-1對機體營養(yǎng)代謝的影響

在動物機體營養(yǎng)代謝過程中起主要作用的是細(xì)胞水平的代謝，動物攝取的主要營養(yǎng)物質(zhì)是糖類、脂類及蛋白類，其代謝最終是通過細(xì)胞能量代謝途徑進行的。線粒體是細(xì)胞內(nèi)一種重要的細(xì)胞器，具有復(fù)雜的亞顯微結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其通過氧化磷酸化作用為細(xì)胞生命活動提供能量，是細(xì)胞呼吸的重要部位，因此細(xì)胞內(nèi)線粒體的含量對于維持正常能量代謝至關(guān)重要。動物機體通過調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量和功能，調(diào)節(jié)細(xì)胞糖類和脂類代謝，從而影響細(xì)胞營養(yǎng)代謝功能的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。

研究表明，營養(yǎng)不良會減少線粒體的合成，且日糧因素對線粒體也有很大影響，日糧補充精氨酸可增加一氧化氮（NO）的合成，提高血液中NO的含量和誘導(dǎo) PPARγ共激活因子-1（PGC-1α）的基因表達(dá)，減少糖尿病模型大鼠脂肪的沉積[3]。不同的營養(yǎng)物質(zhì)，包括氨基酸的混合物，在能量缺乏的情況下，通過增加內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶（NOS）的表達(dá)，可以提高線粒體的生物合成。關(guān)于NO促進線粒體生物合成的機制，目前認(rèn)為主要是通過誘導(dǎo)PGC-1α實現(xiàn)的。PGC-1α是線粒體合成的主要調(diào)控因子，其被激活后刺激核呼吸因子1（NRF-1）和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mtTFA）的表達(dá)，使細(xì)胞核以及線粒體內(nèi)編碼線粒體蛋白的基因開始表達(dá)。PGC-1α介導(dǎo)的線粒體生物合成和基因表達(dá)是通過β2腎上腺素能受體與細(xì)胞因子表面受體激活信號流PKA及P38MAPK通路進行的，首先是PKA磷酸化CREB轉(zhuǎn)錄因子，誘導(dǎo) PGC-1α基因表達(dá)，然后激活的P38MAPK直接磷酸化 PGC-1α蛋白。PGC-1α激活呼吸鏈亞單位的表達(dá)和通過誘導(dǎo)NRFs的表達(dá)及NRF-1介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的共同活化可激活MtTFA。MtTFA隨后轉(zhuǎn)位至線粒體直接增加mtDNA的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制[4]。

1.1 PGC-1α和NO對線粒體氧化代謝的影響

PGC-1α與線粒體氧化代謝的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，與其相結(jié)合的全部轉(zhuǎn)錄因子都能直接調(diào)節(jié)核編碼線粒體基因的表達(dá)。這些基因可導(dǎo)致脂肪酸β氧化、三羧酸循環(huán)以及氧化磷酸化（OXPHOS）過程中酶活性的增加，并能增加線粒體發(fā)生生物呼吸作用。對PGC-1α-/-基因敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α缺失可導(dǎo)致多種組織氧化代謝功能障礙。

1.2 PGC-1α和NO對脂肪細(xì)胞能量代謝的影響

脂肪細(xì)胞合成、釋放的NO是由NOS催化底物L(fēng)-精氨酸轉(zhuǎn)化而來。目前發(fā)現(xiàn)脂肪組織內(nèi)存在2種亞型的NOS，即內(nèi)皮型NOS（eNOS）和誘導(dǎo)型NOS（iNOS）[5]。NO是一種具有廣泛生理效應(yīng)的氣體信號分子。交感神經(jīng)激活、胰島素、瘦素均可作用于脂肪細(xì)胞激活 NOS，使 NO生成增加，從而對能量代謝進行調(diào)節(jié)。由此可見，eNOS激活后生成NO，后者進一步增加脂肪細(xì)胞cGMP的水平，上調(diào)PGC-1α生成，最終促進線粒體的生物合成，NO是線粒體數(shù)目的主要調(diào)節(jié)者[6]。

1.3 PGC-1α和NO對脂類類代謝及脂肪細(xì)胞分化的影響

脂肪組織在維持機體能量代謝平衡和脂類代謝穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。脂肪細(xì)胞合成、釋放的NO通過影響線粒體生物合成、脂肪細(xì)胞分化以及脂肪分解等參與能量代謝的調(diào)節(jié)。NO生成異?？蓪?dǎo)致能量代謝紊亂甚至肥胖和胰島素抵抗。后者是冠心病、高血壓、2型糖尿病及高脂血癥等多種疾病共同的病理基礎(chǔ)。深入研究NO對脂肪細(xì)胞能量代謝的調(diào)控及其機制，可為探討上述疾病的發(fā)生機理和防治措施提供新的思路。PGC-1α缺陷，線粒體呼吸率下降，最終導(dǎo)致脂肪酸氧化能力下降。

1.4 PGC-1α和NO對糖代謝及肉品質(zhì)的影響

有研究人員利用腺病毒介導(dǎo)PGC-1α表達(dá)于小鼠 C2C12肌細(xì)胞及大鼠L6肌細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)Glut4 mRNA恢復(fù)到可測水平，而增加的Glut4表達(dá)使葡萄糖轉(zhuǎn)運增加了3倍，而轉(zhuǎn)運過程中相關(guān)的胰島素敏感性卻未增加。最近研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α抑制肌細(xì)胞中葡萄糖氧化，是通過與其核受體 ERRα相互作用并激活基因編碼的丙酮酸脫氫酶4（PDK4）的表達(dá)而實現(xiàn)的。同時，PGC-1α對骨骼肌中的葡萄糖酵解具有控制作用，其可以通過增加ERRα的量來提高PDK4的表達(dá)，從而通過暫時降低葡萄糖的酵解作用來相應(yīng)增加脂肪酸的氧化，其還可以抑制葡萄糖的氧化來增加肌肉中葡萄糖的吸收，使肌肉儲備肌糖原為將要進行的運動做好準(zhǔn)備，而糖原是影響肉品質(zhì)的重要成分之一。

2 營養(yǎng)代謝的應(yīng)用

2.1 疾病診斷

營養(yǎng)代謝產(chǎn)物可以作為疾病診斷的標(biāo)記物，如血糖水平升高診斷糖尿病，高膽固醇與心血管疾病相關(guān)等。高膽固醇水平只能提示機體可能存在某些健康問題，而代謝組的研究可以對某一特定時期代謝產(chǎn)物的總和進行整體和動態(tài)的分析，能夠明確膽固醇增高的原因。同時一種新的基于功能的聯(lián)合運算法則測定氨基酸的比率，可以鑒別出糖尿病模型大鼠與肥胖、非糖尿病大鼠。同樣的方法也可以確定，二甲基亞硝胺所致肝功能衰竭后肝臟纖維化標(biāo)志物羥脯氨酸的大概濃度范圍。此種方法可以應(yīng)用于各種生理或疾病的臨床診斷。有研究人員應(yīng)用H-NMR技術(shù)，以36例嚴(yán)重心血管疾病患者和30例心血管動脈硬化患者的血清和血漿為研究對象，進行了代謝組學(xué)分析，并結(jié)合 PCA、SIMCA、PLS-DA、OSCPLS等模式識別技術(shù)實現(xiàn)了對心血管疾病及其嚴(yán)重程度的判別，得到了高于90%的靈敏度及專一性。該方法僅需幾滴血液，就可利用核磁共振指紋譜和計算機模式識別技術(shù)判斷心臟病的嚴(yán)重程度。其優(yōu)于傳統(tǒng)的血管造影術(shù)，用于檢測心臟病時快速、廉價、安全且副作用少。

2.2 鑒定代謝產(chǎn)物

有研究報道，用代謝組學(xué)方法可鑒定出飲紅茶后尿液中主要代謝物為馬尿酸，NMR與LC聯(lián)用可鑒定出一種未知物質(zhì) 2-O-硫-1,3-二羥基苯[7]。Van Dorsten等運用代謝組學(xué)方法研究了綠茶和紅茶代謝的異同，發(fā)現(xiàn)尿液中類黃酮降解產(chǎn)物馬尿酸和2-O-硫-1，3-二羥基苯升高，綠茶黃烷醇能夠影響人體內(nèi)能量代謝和生物合成途徑[8]。Mitsubuchi等采用尿液代謝組學(xué)分析診斷新生兒苯丙酮尿癥（PKU）和楓糖尿癥（MSUD），診斷結(jié)果顯示，苯丙酮尿癥患者尿液中含有較高水平苯丙氨酸，MSUD患者尿液中支鏈氨基酸、2-羥基異戊酸、3-羥基丁酸含量較高[9]。

2.3 監(jiān)測食物的有效性和安全性

Noguchi等回顧分析了代謝組學(xué)技術(shù)在評價氨基酸攝入的適量與安全范圍中的應(yīng)用，應(yīng)用基于相關(guān)性的方法分析某種代謝產(chǎn)物與攝入過量的蛋白質(zhì)、氨基酸相關(guān)，以此確定適量、安全的氨基酸攝入量[10]。Noguchi等又進一步研究發(fā)現(xiàn)氨基酸代謝譜可以有助于揭示特定生理狀態(tài)，揭示迄今最為全面的代謝關(guān)系[11]。Matsuzaki利用基因芯片和氣（相層析）-質(zhì)（譜）聯(lián)用儀平臺研究了日糧中過量亮氨酸對雄性大鼠代謝的影響，發(fā)現(xiàn)過量亮氨酸使氮素代謝超載，并且發(fā)現(xiàn)尿中出現(xiàn)α-ketoisocaproate是亮氨酸最高上限的足夠標(biāo)記物[12]。多年的研究實踐證明，基于代謝組磁共振的分析方法不僅能夠有效判斷毒性影響的組織器官及其位點和相關(guān)作用機制，確定毒理的生物標(biāo)記物，而且能夠在此基礎(chǔ)上建立可預(yù)測性的機器學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)以及毒素影響動物內(nèi)源性代謝隨時間的變化軌跡。

2.4 推動細(xì)胞代謝的發(fā)展

關(guān)于培養(yǎng)的3T32L1脂肪細(xì)胞脂類代謝改變的研究顯示，隨著細(xì)胞分化，在脂肪細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)奇數(shù)鏈脂肪酸包括甘油三酯和磷脂的逐漸蓄積，表明過氧化物酶體在脂肪細(xì)胞的脂肪酸代謝中的重要作用[13]。大量對PGC-1α的研究表明，PGC-1α作為轉(zhuǎn)錄共同激活因子在哺乳動物的各種組織能量代謝中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。PGC-1α作為核受體共同激活因子為外界環(huán)境改變和骨骼肌及肝臟的適應(yīng)性能量代謝之間的基本聯(lián)系提供了新的理解途徑。PGC-1α的異常調(diào)節(jié)能促使許多營養(yǎng)代謝疾病的發(fā)生（如糖尿病和心臟?。?。然而，PGC-1α這個高度可調(diào)節(jié)、強有力的共同轉(zhuǎn)錄因子具體的防止或調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝機制還不十分清楚，仍需通過動物模型及細(xì)胞試驗來進一步研究。

3 小結(jié)

作為后基因時代的產(chǎn)物，營養(yǎng)代謝組學(xué)的應(yīng)用拓寬了生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)的研究范圍，其出現(xiàn)和應(yīng)用為高通量、全景式、直觀地研究物質(zhì)在體內(nèi)的代謝情況提供了新的契機，而且為研究物質(zhì)的各種代謝途徑提供了可能，但營養(yǎng)代謝組學(xué)的研究仍存在一定的局限性，其分析手段有限，尚不能對所有代謝物進行分析，同時其檢測所需的儀器和設(shè)備價格昂貴，不適合實驗室研究，但相信隨著營養(yǎng)代謝組學(xué)應(yīng)用的廣度和深度的不斷增加、研究方法的不斷完善和優(yōu)化，其優(yōu)越性會得到進一步的認(rèn)識和發(fā)揮，這也必將為人類更高效、準(zhǔn)確地評價藥物的安全性、更全面地認(rèn)知疾病過程、指導(dǎo)人類的營養(yǎng)健康、監(jiān)測環(huán)境等提供一種有力的手段。

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