代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用

何慶華，任萍萍，王玉蘭*

(中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，波譜與原子分子物理國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用

何慶華，任萍萍，王玉蘭*

(中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，波譜與原子分子物理國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

代謝組學(xué)能從整體水平定量地考察飲食、生活習(xí)慣、生物活性物質(zhì)、腸道菌群等對機體代謝造成的細(xì)微動態(tài)變化，并有望為營養(yǎng)需要量的研究、營養(yǎng)流行病學(xué)和營養(yǎng)相關(guān)疾病的研究提供新的策略。本文簡要綜述代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展。

代謝組學(xué)；營養(yǎng)學(xué)；代謝；健康；疾病

現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)研究的主要目標(biāo)是通過合理的日常飲食預(yù)防疾病和保障人類健康[1]。采用基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等系統(tǒng)生物學(xué)方法全面而系統(tǒng)地進(jìn)行營養(yǎng)學(xué)研究，不僅有助于理解預(yù)防疾病和保障健康的分子機制，也能拓展?fàn)I養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域和加快研究步伐，還能提高營養(yǎng)學(xué)研究的準(zhǔn)確性，促進(jìn)營養(yǎng)學(xué)研究的長足發(fā)展。代謝組學(xué)是關(guān)于生物內(nèi)源小分子代謝物整體及其變化規(guī)律的科學(xué)[2]。細(xì)胞、組織或器官中小分子代謝物的量和動態(tài)變化能實時反映生理調(diào)控過程的終點。因此，代謝組是研究生物反應(yīng)的“終點”，代謝組學(xué)分析所獲得的信息與生物的表型或整體狀況的距離最近，是生物學(xué)現(xiàn)象的最終表現(xiàn)[2]。

代謝組學(xué)的分析檢測方法目前主要采用核磁共振波譜(NMR)和質(zhì)譜(MS)技術(shù)。由于NMR響應(yīng)的非選擇性和高通量以及豐富的結(jié)構(gòu)信息，所以NMR在代謝組學(xué)研究中具有獨特的定性和定量優(yōu)勢。而MS則擁有NMR無法比擬的高分辨率和高靈敏度，同時兼顧無偏向性，從而能檢測復(fù)雜樣品中低豐度的代謝物，且能分析范圍很廣的代謝物，并可以通過同位素內(nèi)標(biāo)對代謝物進(jìn)行準(zhǔn)確定量。近年來，逐漸形成了分別基于NMR和MS技術(shù)的兩大代謝組學(xué)分析平臺。代謝組學(xué)為營養(yǎng)學(xué)研究提供了嶄新的思路和技術(shù)，已經(jīng)在多個營養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這些領(lǐng)域包括：食品中生物活性成分功能研究、營養(yǎng)素的代謝與代謝調(diào)控研究、不同生理狀態(tài)和不同飲食習(xí)慣的代謝差異研究、營養(yǎng)需要量研究、腸道菌群與營養(yǎng)的研究和營養(yǎng)流行病學(xué)研究，以及營養(yǎng)代謝疾病的診斷和機制研究等[1,3]。代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域有了許多新的發(fā)現(xiàn)，并極大地促進(jìn)了營養(yǎng)學(xué)的發(fā)展。為了更好地將代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于營養(yǎng)學(xué)研究，本文就代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)行簡要綜述。

1 食品中生物活性物質(zhì)的功能研究

食品除了營養(yǎng)作用外，有些還具有特殊生物活性作用。代謝組學(xué)技術(shù)為食品中生物活性物質(zhì)的功能研究提供了有效途徑。比如，對茶的代謝組學(xué)研究不僅可以加深對茶有益健康的機制的認(rèn)識，還可以更加全面地了解茶中含有的多酚、表兒茶素等類黃酮物質(zhì)的潛在生物學(xué)功能和有益作用。Solanky等[4]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)對表兒茶素的研究表明，表兒茶素能降低SD大鼠尿液?；撬?、檸檬酸、二甲胺和α-酮戊二酸等代謝物的濃度，影響代謝的機制主要是通過多酚對腎臟功能的作用，使得能量代謝從碳水化合物分解代謝轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅岷桶被岱纸獯x。Daykin等[5]采用基于NMR的代謝組學(xué)方法對紅茶的研究表明，人在飲用紅茶后尿液中馬尿酸濃度顯著升高，并用高效液相色譜與NMR和MS聯(lián)用(HPLC-NMR-MS)技術(shù)鑒定發(fā)現(xiàn)紅茶多酚還會代謝為1,3-二羥基苯-2-O-硫酸鹽。van Dorsten等[6]采用代謝組學(xué)方法比較了綠茶和紅茶對人體代謝的影響，發(fā)現(xiàn)綠茶和紅茶能導(dǎo)致尿液中類黃酮降解產(chǎn)物馬尿酸和1,3-二羥基苯-2-O-硫酸鹽濃度相同程度的升高，而血漿葡萄糖濃度的降低則進(jìn)一步證實茶多酚增強胰島素活性降低血糖濃度的觀點。綠茶能導(dǎo)致血漿中乳酸的降低說明綠茶能減弱人體內(nèi)無氧糖酵解；綠茶還導(dǎo)致尿液中三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物顯著增加，說明綠茶能夠影響人體內(nèi)能量代謝和生物合成途徑。此外，Xie等[7]對普洱茶的代謝組學(xué)研究也表明，人在攝入普洱茶前后尿液中5-羥色氨酸、肌酐、肌醇等代謝物出現(xiàn)了變化。

2 營養(yǎng)素的代謝與代謝調(diào)控機制研究

代謝組學(xué)能發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)素引發(fā)機體的細(xì)微生化響應(yīng)，從而闡明營養(yǎng)素的代謝與代謝調(diào)控機制。Bertram等[8]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)對瘤胃灌注短鏈脂肪酸后牛門脈系統(tǒng)和肝臟血液代謝物的分析表明，短鏈脂肪酸可以直接吸收進(jìn)入腸系膜血管，并在肝臟中代謝合成β-羥基丁酸和葡萄糖。這些結(jié)果與傳統(tǒng)生化分析的一致性，展示了基于NMR的代謝組學(xué)在營養(yǎng)物質(zhì)代謝研究中的強大能力。Griffin等[9]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)研究了添加VE對運動神經(jīng)元衰退小鼠模型(mnd)代謝組的影響，發(fā)現(xiàn)VE可以使mnd小鼠部分血漿和大腦代謝物恢復(fù)到正常水平。Fardet等[10]采用基于NMR的代謝組學(xué)方法對全麥面粉和精制面粉進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)全麥面粉能夠明顯改善大鼠機體的氧化還原狀態(tài)和脂肪代謝，為理解全谷物食品預(yù)防糖尿病和心血管疾病的機制提供了參考。對巖衣藻的代謝組學(xué)研究還表明，巖衣藻能引起大鼠尿液中檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸等代謝物增加，但在大量攝入(15%)時未引起代謝的明顯異常[11]。這些研究結(jié)果有助于對營養(yǎng)物質(zhì)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解。

3 不同生理狀態(tài)下的代謝表型研究

代謝組學(xué)能對衰老、能量攝入限制等生理狀態(tài)改變后的代謝表型變化進(jìn)行研究。Selman等[12]結(jié)合代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法對C57BL/6小鼠限制能量攝入后的代謝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)均表明短期和長期的能量限制攝入會導(dǎo)致動員機體能量儲備和能量節(jié)約，主要表現(xiàn)為脂肪酸分解代謝和糖異生代謝增強。對狗的衰老研究表明，尿液中肌酐和糖蛋白濃度隨著年齡增長有著顯著的變化，并發(fā)現(xiàn)能量限制攝入的狗和未限制個體間尿液代謝物存在長期的代謝差異，提示代謝在疾病的抵抗和易感方面起著重要作用，并與長壽密切相關(guān)[13]。最近的代謝組學(xué)研究還表明，淫羊藿的抗衰老作用與其調(diào)控能量代謝、脂質(zhì)代謝和抗氧化作用密切相關(guān)[14-15]。

4 不同種族和不同飲食習(xí)慣的代謝表型研究

Lenz等[16]采用基于NMR的代謝組學(xué)方法對健康人尿液的研究發(fā)現(xiàn)，個體內(nèi)尿液代謝組比較穩(wěn)定，而不同個體間尿液代謝組差異較大，與飲食和生活習(xí)慣的差異有關(guān)。該研究說明個人飲食和生活習(xí)慣與代謝密切相關(guān)。進(jìn)一步的代謝組學(xué)研究表明不同飲食和生活方式可以導(dǎo)致英國人和瑞典人的尿液代謝組出現(xiàn)顯著差異，瑞典人尿液氧化三甲胺和?；撬崦黠@高于英國人，這與瑞典人喜愛吃魚等高蛋白質(zhì)的飲食習(xí)慣有關(guān)[17]?；贜MR的代謝組學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)中國人尿液中β-氨基異丁酸和乙醇濃度的增加與其喜愛飲酒的習(xí)慣有關(guān)，而日本人尿液中氧化三甲胺的增加則與其對魚的高攝入量有關(guān)[18]。同樣，中國人和美國人之間代謝表型也存在明顯的差異[19]。這些研究有助于理解不同種族和不同飲食習(xí)慣所引起的機體代謝差異。

5 腸道菌群與營養(yǎng)研究

由于食物到達(dá)腸道后首先會經(jīng)過腸道菌群的作用，所以腸道菌群在食物消化、吸收和代謝以及菌群代謝物對宿主代謝的影響中扮演著重要角色。雖然人們早就知道瘤胃細(xì)菌和纖毛蟲能利用纖維素產(chǎn)生反芻動物所能利用的短鏈脂肪酸，Backhed等[20]的研究也表明腸道菌群參與糖的吸收并能增強肝臟脂肪合成和沉積，但是其作用可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此。Nicholls等[21]對無菌小鼠腸道菌群建立過程中尿液代謝組的研究表明，隨著腸道菌群的建立宿主尿液代謝組出現(xiàn)漸進(jìn)的變化，檸檬酸、α-酮戊二酸和琥珀酸等三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物濃度逐漸減低，3-羥基苯丙酸、馬尿酸苯和乙酰甘氨酸則逐步增加，而且，尿液中的氧化三甲胺等腸道細(xì)菌代謝物的濃度也明顯增加。Wang等[22]對飲用洋甘菊志愿者的尿液代謝組學(xué)分析也表明，洋甘菊的抗菌作用影響了人體腸道菌群，進(jìn)而導(dǎo)致尿液中馬尿酸和苯乙?；弱０窛舛鹊纳?。對狗的衰老研究也表明，隨著年齡增長和能量攝入限制，腸道菌群代謝出現(xiàn)明顯的變化，提示腸道菌群代謝可能與壽命的延長和疾病的發(fā)生有密切關(guān)系[13]。最近的研究還表明，腸道菌群的組成和動態(tài)變化與人體的代謝表型密切相關(guān)，不僅中國人和美國人之間存在差異，而且成年人和嬰兒之間的腸道菌群和代謝表型也均具有明顯的差異[19]。精氨酸的添加也能夠通過調(diào)控腸道菌群而引起血清中氧化三甲胺等代謝物的變化[23]。這些結(jié)果充分說明腸道菌群直接和間接影響著宿主代謝，腸道菌群與宿主的營養(yǎng)和代謝的關(guān)系十分密切。

6 營養(yǎng)需要量研究

代謝組學(xué)技術(shù)可用于研究營養(yǎng)素(如氨基酸等)攝入過多或者過少時整個機體的新陳代謝所發(fā)生的變化，從而有助于更加合理地研究各種營養(yǎng)素的需要量[24-25]。Matsuzaki等[26]對過量攝入亮氨酸的大鼠血漿代謝組學(xué)分析表明，尿素和α-酮異已酸可能是氨基酸過量攝入時的標(biāo)志物。最近，He等[23]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)對精氨酸在豬體內(nèi)的需要量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增加日糧中精氨酸的添加量能顯著提高豬的生長性能，并引起機體代謝的改變。這些有益的嘗試充分說明從代謝組層次建立營養(yǎng)素的需要量會更加準(zhǔn)確而科學(xué)，而且相對于蛋白組學(xué)而言，代謝組學(xué)還具有快速和高通量的優(yōu)勢，更有希望為營養(yǎng)個體化需要量的建立提供科學(xué)而便捷的評估策略。

7 營養(yǎng)流行病學(xué)研究

營養(yǎng)流行病學(xué)調(diào)查對人類膳食結(jié)構(gòu)與疾病的相關(guān)性研究十分重要，可以發(fā)現(xiàn)潛在的飲食危險因子及其致病機制。由于取樣簡便，快速、高通量檢測等優(yōu)點，代謝組學(xué)技術(shù)十分適合營養(yǎng)流行病學(xué)的研究。對來自中國、美國、英國和日本共19個民族的4630份人尿樣代謝組學(xué)分析表明，飲食相關(guān)重要危險因素和冠心病的發(fā)病率在東亞人和西方人之間存在明顯的差異，主要與中國人和日本人攝入植物蛋白較多和血壓較低有關(guān)，并發(fā)現(xiàn)了血壓與膳食中食鹽含量和尿液中甲酸濃度的相關(guān)性[27]。對231位中國漢族人代謝組學(xué)分析也表明，血清代謝組在正常人群、葡萄糖調(diào)節(jié)損傷和患糖尿病的人群中有明顯差異，并存在漸進(jìn)的變化趨勢[28]。這些研究均表明，代謝組學(xué)技術(shù)可以用于營養(yǎng)流行病學(xué)研究，研究營養(yǎng)相關(guān)疾病的病因，從而為預(yù)防疾病和保障健康提供理論依據(jù)。

8 營養(yǎng)代謝疾病診斷和機制研究

代謝組學(xué)還可用于營養(yǎng)代謝疾病的診斷和生物標(biāo)志物的研究。Constantinou等[29]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)成功診斷嬰兒的苯丙酮尿癥和楓糖尿癥，通過偏最小二乘法判別分析和主成分分析都能夠明顯將患病與正常嬰兒區(qū)分開，診斷結(jié)果顯示苯丙酮尿癥嬰兒尿液含有較高濃度的苯丙氨酸，楓糖尿癥嬰兒尿液中支鏈氨基酸、2-羥基異戊酸和3-羥基丁酸濃度較高。代謝組學(xué)方法用尿液檢測取代傳統(tǒng)的血液檢測，取樣方便，無痛苦，十分適合對嬰兒的診斷。Connor等[30]結(jié)合代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了支鏈氨基酸、煙堿和泛酸等多個與Ⅱ型糖尿病病程相關(guān)的生物標(biāo)志物。此外，代謝組學(xué)還能用于肥胖、糖尿病等營養(yǎng)性疾病的機制研究。對肥胖易感和肥胖抵抗大鼠的肝臟、血清和尿液的代謝組學(xué)分析表明，易感和抵抗大鼠在脂肪代謝、能量代謝和氨基酸代謝存在明顯的差異[31]。Zhang等[28]對糖尿病病程發(fā)展過程中代謝組學(xué)研究也表明，糖調(diào)節(jié)異常和糖尿病人血清代謝組與正常人代謝組存在明顯差異，前兩者出現(xiàn)膽堿代謝、葡萄糖代謝、脂質(zhì)和氨基酸代謝以及三羧酸循環(huán)代謝紊亂。這些研究進(jìn)一步加深了對營養(yǎng)代謝疾病的機制的了解。

9 結(jié) 語

綜上所述，代謝組學(xué)技術(shù)已廣泛用于營養(yǎng)學(xué)研究，并拓展了營養(yǎng)學(xué)的研究領(lǐng)域，促進(jìn)了營養(yǎng)學(xué)研究的長足發(fā)展。代謝組學(xué)為營養(yǎng)學(xué)研究提供了一種全面而系統(tǒng)的分析手段，從整體水平動態(tài)且定量地展現(xiàn)飲食、生活習(xí)慣、生物活性物質(zhì)、腸道菌群等對機體代謝造成的細(xì)微變化。而且，代謝組學(xué)能用于營養(yǎng)素在機體代謝的生物標(biāo)志物研究，為營養(yǎng)素的需求量提供更加全面和準(zhǔn)確的評估方法，更有希望用于個體化營養(yǎng)需求量的建立。代謝組學(xué)也可以用于膳食和營養(yǎng)流行病學(xué)的研究，闡明飲食和生活習(xí)慣與健康和疾病的關(guān)系。代謝組學(xué)還可以用于營養(yǎng)代謝疾病的診斷和機制研究，為預(yù)防和治療營養(yǎng)代謝疾病提供理論依據(jù)?？傊?，隨著代謝組學(xué)技術(shù)自身的發(fā)展和完善，代謝組學(xué)將在營養(yǎng)學(xué)研究中有著更加廣闊的應(yīng)用前景，為預(yù)防疾病和保障人類健康做出更大的貢獻(xiàn)。

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Applications of Metabolomics in Nutrition Research: A Review

HE Qing-hua，REN Ping-ping，WANG Yu-lan*
(State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, Wuhan Institute of Physics and Mathematics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Metabolomics can quantitatively evaluate subtle dynamic change of metabolic pathways in organisms resulting from external stimuli including diets, living habits, bioactive substances and intestinal flora. It also provides a promising strategy to explore personalized nutrition, nutritional diseases and nutritional epidemiology. Therefore, metabolomics has been widely applied to nutrition research. In this article, metabolomic applications in nutrition research is briefly reviewed.

metabolomics；nutrition；metabolism；health；disease

R151

A

1002-6630(2011)05-0317-04

2010-07-21

國家“973”計劃項目(2009CB118804)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(20090460999)

何慶華(1980—)，男，講師，博士，研究方向為營養(yǎng)與代謝組學(xué)。E-mail：heqinghua2005@gmail.com

*通信作者：王玉蘭(1964—)，女，研究員，博士，研究方向為代謝組學(xué)。E-mail：yulan.wang@wipm.ac.cn