系統(tǒng)毒理學(xué)及其研究進(jìn)展

金輝虎

【摘 要】在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，綜述了系統(tǒng)毒理學(xué)的原理、誕生背景、研究策略、研究基礎(chǔ)及其主要應(yīng)用。同時(shí)，通過介紹系統(tǒng)毒理學(xué)的研究實(shí)例來闡述其目前的研究進(jìn)展情況。希望從分子生物學(xué)的發(fā)展中汲取足夠營養(yǎng)并結(jié)合傳統(tǒng)毒理學(xué)的研究成果發(fā)展壯大自己。

【Abstract】Based on the foundation of related research at home and abroad， paper summarizes the principle and research strategy， research background， basis and main application of system toxicology. At the same time， to explain its current status a case study of the system is introduced. And we hope to draw sufficient toxicological nutrition from the development of molecular biology and development itself combined with the research of traditional toxicology .

【關(guān)鍵詞】背景；技術(shù)；應(yīng)用；進(jìn)展

【Keywords】background； technology； application； progress

【中圖分類號(hào)】X-0 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0195-02

1 系統(tǒng)毒理學(xué)及其誕生背景

系統(tǒng)毒理學(xué)是近10年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，代表著后基因組時(shí)代毒理學(xué)發(fā)展的新方向。所謂系統(tǒng)毒理學(xué)是指通過了解機(jī)體暴露后在不同劑量、不同時(shí)點(diǎn)的基因表達(dá)譜、蛋白質(zhì)譜和代謝物譜的改變以及傳統(tǒng)毒理學(xué)的研究參數(shù)，借助生物信息學(xué)和計(jì)算毒理學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行整合，從而系統(tǒng)地研究外源性化學(xué)物和環(huán)境應(yīng)激等與機(jī)體相互作用的一門學(xué)科 [1]。

近年來，生命科學(xué)在新理論和新技術(shù)上有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一系列“組學(xué)”（omics）應(yīng)運(yùn)而生，如基因組學(xué)（genomics）、蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）、細(xì)胞組學(xué)（cellomics或cytomics），等新學(xué)科不斷涌現(xiàn)，使人們對(duì)基因和基因組的認(rèn)識(shí)，對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和認(rèn)識(shí)生命、健康的手段取得了重要的進(jìn)展。

另外，傳統(tǒng)的毒理學(xué)研究依然存在許多不足，相對(duì)于飛速發(fā)展的分子生物學(xué)技術(shù)和越來越多的外源性物質(zhì)，毒理學(xué)的研究方法急待革新。

系統(tǒng)毒理學(xué)的發(fā)展，既有系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展的外在刺激，又有傳統(tǒng)毒理學(xué)在發(fā)展中克服自身不足的內(nèi)在需求。

2 生物學(xué)基礎(chǔ)

2.1 基因組學(xué)

基因組學(xué)是研究基因組的結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)產(chǎn)物的學(xué)科。基因組的產(chǎn)物不僅是蛋白質(zhì)，還有許多復(fù)雜功能的RNA。將基因組學(xué)的方法與技術(shù)應(yīng)用于毒理學(xué)研究領(lǐng)域，稱之為毒物基因組學(xué)（toxicogenomics）。毒物基因組學(xué)的基本方法是通過觀察生物在接觸毒物后基因表達(dá)譜的變化，篩選毒性相關(guān)基因、揭示毒作用的基因表達(dá)譜、快速篩選毒物、在基因組水平對(duì)化學(xué)物進(jìn)行分類、篩選和檢測基因多態(tài)性、檢測基因突變、進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)等，從而解決化學(xué)物的聯(lián)合作用、高通量篩選對(duì)人體有毒性作用或者潛在毒作用的化學(xué)物、研究毒作用機(jī)制等毒理學(xué)研究上的關(guān)鍵問題[2]。

2.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是從RNA水平研究基因表達(dá)的情況。轉(zhuǎn)錄組即一個(gè)活細(xì)胞所能轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的總和，是研究細(xì)胞表型和功能的一個(gè)重要手段。

轉(zhuǎn)錄組譜可以提供什么條件下什么基因表達(dá)的信息，并據(jù)此推斷相應(yīng)未知基因的功能，揭示特定調(diào)節(jié)基因的作用機(jī)制。通過這種基于基因表達(dá)譜的分子標(biāo)簽，不僅可以辨別細(xì)胞的表型歸屬，還可以用于疾病的診斷。例如：阿爾茨海默病（Alzheimer′sdiseases，AD）中，出現(xiàn)神經(jīng)原纖維纏結(jié)的大腦神經(jīng)細(xì)胞基因表達(dá)譜就有別于正常神經(jīng)元，當(dāng)病理形態(tài)學(xué)尚未出現(xiàn)纖維纏結(jié)時(shí)，這種表達(dá)譜的差異即可以作為分子標(biāo)志直接對(duì)該病進(jìn)行診斷。

2.3 蛋白質(zhì)組學(xué)

闡明生物體各種生物基因組在細(xì)胞中表達(dá)的全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式及功能模式的學(xué)科。包括鑒定蛋白質(zhì)的表達(dá)、存在方式（修飾形式）、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用等。

同時(shí)，基因的表達(dá)方式錯(cuò)綜復(fù)雜，相同的一個(gè)基因在不同條件、不同時(shí)期可能會(huì)引起完全不同的作用，并加上翻譯后修飾作用如磷酸化、糖基化、乙酞化、羥基化等，使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能及活性有動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的變異。各種蛋白質(zhì)組技術(shù)的基本步驟均包括樣品蛋白質(zhì)制備、蛋白質(zhì)分離、質(zhì)譜分析、蛋白質(zhì)鑒定和肽質(zhì)量指紋譜或純蛋白質(zhì)裂解離子譜圖數(shù)據(jù)庫的檢索。

3 系統(tǒng)毒理學(xué)研究進(jìn)展

AndrewCraig應(yīng)用系統(tǒng)毒理學(xué)的方法分析使用噻吡二胺研究大鼠肝中毒的機(jī)理。大劑量的噻吡二胺可導(dǎo)致大鼠肝細(xì)胞的壞死，而原因并不清楚。作者通過基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的相關(guān)技術(shù)對(duì)具體的機(jī)理進(jìn)行研究。通過對(duì)雄性大鼠連續(xù)注射噻吡二胺三天，注射劑量為150mg/kg/d，從血液和肝臟獲得藥物后（兩小時(shí)后），每天連續(xù)24小時(shí)收集尿液。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以對(duì)藥物在肝臟內(nèi)的代謝途徑和轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行解釋。

MichaelWaters構(gòu)想并建立了基于危害或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的幾個(gè)毒物數(shù)據(jù)庫，其建立的第一個(gè)數(shù)據(jù)庫被發(fā)展為環(huán)保局辦公室下面的毒物數(shù)據(jù)庫。通過和政府，企業(yè)和科研院所的合作，其建立的毒物數(shù)據(jù)庫已經(jīng)在毒理學(xué)研究和致癌研究方面發(fā)揮了巨大作用。

EthanYixunXu在研究中，對(duì)雄性大鼠分別進(jìn)行鉑化合物和慶大霉素的染毒實(shí)驗(yàn)。使用MetaCore分析軟件，通過整合尿液中代謝組學(xué)分析圖像和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析圖像來鑒別與腎毒物相關(guān)的生物化學(xué)變化。實(shí)驗(yàn)表明，鉑化合物和慶大霉素可嚴(yán)重影響mRNA合成一些轉(zhuǎn)錄子，而每種轉(zhuǎn)錄子對(duì)應(yīng)一種代謝產(chǎn)物。并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了腎臟中的幾個(gè)轉(zhuǎn)錄子可能在誘發(fā)腎病方面承擔(dān)主要媒介作用。

JiangshanWang等基于代謝組學(xué)技術(shù)，通過液相色譜法和質(zhì)譜分析法對(duì)阿霉素（doxorubicin）作用于大鼠進(jìn)行系統(tǒng)毒理學(xué)研究。然后，通過方差分析和組分分析方法來揭示隨劑量和時(shí)間的變化以及在多元變量情況下的相互影響。最后，各種設(shè)計(jì)致毒過程的代謝分子都可以通過精準(zhǔn)的高通量試驗(yàn)設(shè)備被鑒定出來，并據(jù)此推斷關(guān)于阿霉素致毒機(jī)理的假設(shè)。

Mutation Research雜志發(fā)表社論，指出“組學(xué)”是理解和學(xué)習(xí)系統(tǒng)毒理學(xué)的一個(gè)工具?！敖M學(xué)”技術(shù)可以獲取廣泛的基于基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)信息。文章進(jìn)一步指出，利用基因毒理學(xué)方法來研究系統(tǒng)毒理學(xué)的思路看似很簡單。社論指出，研究致毒機(jī)理對(duì)于正確評(píng)價(jià)藥物或者環(huán)境化學(xué)物暴露下的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

DavidJ.Spurgeon研究了使用系統(tǒng)毒理學(xué)的方法來理解環(huán)境化學(xué)混合物的聯(lián)合作用。有時(shí)候這些模型也有局限性，尤其在毒物發(fā)生相互作用的情況下，模型就不能精準(zhǔn)的做出預(yù)測了。為了能更好地理解混合毒物的相互作用，一種新的實(shí)驗(yàn)研究框架被建立，這種框架是用于理解化學(xué)生物利用度三部曲的延伸。這個(gè)框架認(rèn)為，化學(xué)混合物的相互作用源于一些過程，包括①物種進(jìn)化，化學(xué)污染物的轉(zhuǎn)運(yùn)；②污染物在生物體內(nèi)的吸附，消化，分配以及排泄；③化學(xué)污染物在目標(biāo)靶位的粘合程度 [3]。

系統(tǒng)毒理學(xué)是在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的出現(xiàn)和發(fā)展為人類研究毒理提供了一種新的思路和方法，也讓人們對(duì)于傳統(tǒng)毒理學(xué)無能為力的一些命題看到了希望，但作為一門新興的研究領(lǐng)域，他的研究方法并不成熟，研究思路也很模糊。雖然被寄予厚望，但要想從分子生物學(xué)的發(fā)展中汲取足夠營養(yǎng)并結(jié)合傳統(tǒng)毒理學(xué)的研究成果發(fā)展壯大自己并為人類健康做出貢獻(xiàn)，還有很長的路要走。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王先良.系統(tǒng)毒理學(xué)及其應(yīng)用.生態(tài)毒理學(xué)報(bào)[J].2006，1（4）：289-293.

【2】郭庶，等.蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在生態(tài)毒理學(xué)研究中的應(yīng)用[J].國外醫(yī)學(xué)衛(wèi)生學(xué)分冊.2009，36（2）：89-91.

【3】DavidJ.Spurgeon.Systems toxicology approaches forunder standing the jointeffects of environmental chemicalmixtures[J].ScienceoftheTotalEnvironment，2010（408）：3725-3734.