代謝組學(xué)在研究生《醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)》教學(xué)和課題設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張健

(空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

物質(zhì)代謝是細(xì)胞生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，葡萄糖、脂類和氨基酸等每種營養(yǎng)物質(zhì)都有其特定的代謝通路，但彼此間又相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化。代謝組學(xué)是系統(tǒng)分析生物個(gè)體、組織或特定細(xì)胞中小分子代謝物總體含量和分布規(guī)律的技術(shù)。代謝組學(xué)以組群代謝指標(biāo)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合模式識(shí)別分析方法，對(duì)生物體內(nèi)相對(duì)分子質(zhì)量3 000以下的小分子代謝物進(jìn)行定性和定量分析，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)具有易于檢測、通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，并通過代謝物分析能夠更靈敏的評(píng)價(jià)各種應(yīng)激對(duì)細(xì)胞代謝物質(zhì)流的影響。

隨著質(zhì)譜分析等代謝組學(xué)技術(shù)日益成熟，代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用越加廣泛，近年來發(fā)表的代謝組學(xué)相關(guān)研究論文、以及以代謝組學(xué)為主申報(bào)的科研基金的數(shù)量也在不斷增加。自2013年開始，我們在研究生《醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)》課程中，以代謝組學(xué)的研究進(jìn)展和方法為專題，著重介紹代謝組學(xué)的最新研究進(jìn)展、研究方法和課題設(shè)計(jì)策略等內(nèi)容，極大的推動(dòng)了我校代謝組學(xué)的研究水平，為研究生的科研選題和論文發(fā)表提供了有力的理論支撐。本文結(jié)合代謝組學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展和方法，以及在研究生教學(xué)中的應(yīng)用談一下體會(huì)。

一、代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

上世紀(jì)20年代，德國科學(xué)家Otto Warburg提出“腫瘤或快速增殖的細(xì)胞即使在氧供充足時(shí)依然選擇糖酵解方式供能”，被稱為Warburg效應(yīng)(Warburg effect, 瓦博格效應(yīng))[1]。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到腫瘤細(xì)胞中的癌基因擴(kuò)增、突變，以及抑癌基因的失活等代謝重編程過程是導(dǎo)致這種效應(yīng)的根本原因。近年來，代謝組學(xué)在腫瘤研究中的應(yīng)用十分廣泛，不僅為人們提供腫瘤診斷治療的新思路，也極大的推動(dòng)了代謝組學(xué)研究的整體水平。代謝組學(xué)業(yè)已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究最熱的研究領(lǐng)域之一，也促使人們開始重新認(rèn)識(shí)代謝組學(xué)的研究價(jià)值。

1.代謝組學(xué)在腫瘤研究中的應(yīng)用：代謝組學(xué)的研究在腫瘤研究中無疑是最深入、最前沿的領(lǐng)域，代謝紊亂已經(jīng)成為腫瘤的十大惡性表征之一[2]。根據(jù)近年來代謝組學(xué)研究在腫瘤研究領(lǐng)域的進(jìn)展，主要圍繞丙酮酸激酶2(Pyruvate kinase M2, PKM2)、AMP激活的蛋白激酶(AMP activated protein kinase, AMPK)和異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)等三個(gè)重要代謝酶的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

PKM2(丙酮酸激酶)：丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，是糖酵解的限速步驟之一。研究顯示，腫瘤細(xì)胞內(nèi)PKM2的表達(dá)增加，促使其形成酶活性較低的二聚體形式。究其原因，當(dāng)PKM2高表達(dá)時(shí)，其催化酶的活性降低，可以使得糖酵解的中間產(chǎn)物分流至磷酸戊糖途徑等其它代謝通路。中間代謝產(chǎn)物可以作為反應(yīng)底物參與轉(zhuǎn)化過程，以適應(yīng)快速增殖的腫瘤細(xì)胞對(duì)物質(zhì)代謝的需要。PKM1和PKM2來自于同一轉(zhuǎn)錄本，由于第9、10外顯子的差異剪接導(dǎo)致了兩種亞型的形成。而癌基因Myc等可以調(diào)控RNA剪接酶的表達(dá)，從而促使形成包含第10外顯子的PKM2轉(zhuǎn)錄本[3]，更有利于腫瘤的物質(zhì)代謝需求。

AMPK(AMP激活的蛋白激酶)：AMPK被稱為細(xì)胞能量的感受器，是生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子，是腫瘤、糖尿病及其他代謝相關(guān)疾病研究的核心。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)能量不足時(shí)，AMP濃度增加，活化AMPK，并進(jìn)一步抑制細(xì)胞的增殖信號(hào)。研究顯示，二甲雙胍、阿司匹林等藥物具有一定抗癌能力，其主要機(jī)制是通過激活A(yù)MPK/mTOR信號(hào)通路[4]。而廈門大學(xué)林圣彩教授的最新研究顯示，AMPK對(duì)低濃度的葡萄糖濃度更加敏感，進(jìn)一步拓展了AMPK的功能和機(jī)制[5]。

IDH(異檸檬酸脫氫酶)：IDH催化異檸檬酸生成α-酮戊二酸(α-KG)，是三羧酸循環(huán)中的重要限速步驟之一。研究顯示，在80%的II/III級(jí)膠質(zhì)瘤、10%的急性髓性白血病中存在IDH1/2的突變[6]。突變的IDH可進(jìn)一步將α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為羥戊二酸(α-HG)，最終促使腫瘤的發(fā)生。因此，2-HG被認(rèn)為腦膠質(zhì)瘤的代謝標(biāo)記物，其含量與腫瘤的復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，可用于腫瘤的預(yù)后監(jiān)測。

2.代謝組學(xué)在臨床診斷中的應(yīng)用：相對(duì)于正常組織，腫瘤細(xì)胞生長迅速，代謝旺盛，攝取葡萄糖的能力增強(qiáng)。臨床PET-CT檢查的原理就是基于腫瘤細(xì)胞的代謝特征而設(shè)計(jì)的。PET-CT通過探測葡萄糖類似物18F-FDG在體內(nèi)的放射性分布，掃描葡萄糖代謝特別旺盛的部位，對(duì)微小的病灶或轉(zhuǎn)移灶具有很好的甄別能力。除了在腫瘤診斷中的應(yīng)用，代謝組學(xué)在呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等方面，也具有很好的應(yīng)用前景。例如，代謝組學(xué)技術(shù)可以提高支氣管哮喘檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度，在一次的檢測分析中可同時(shí)查找多個(gè)與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物，測定不同時(shí)期、不同狀態(tài)下機(jī)體代謝物質(zhì)的變化，更好地研究其發(fā)病機(jī)制和病理生理機(jī)制[7]。而在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的早期診斷中，氨基酸類、膽堿類、磷脂類等與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的疾病進(jìn)程高度相關(guān)，可以作為疾病預(yù)防和篩查的代謝標(biāo)志物[8]。在輔助生殖研究領(lǐng)域，利用代謝組學(xué)可分析預(yù)測卵子的發(fā)育潛能，卵泡液的代謝組學(xué)分析將為篩選優(yōu)質(zhì)卵子和胚胎方面開辟新的篇章[9]。

3.代謝組學(xué)在中醫(yī)藥方面的研究進(jìn)展：中藥的成分比較復(fù)雜，藥物代謝組學(xué)是研究中藥低毒性的比較全面且靈敏的方法。目前，代謝組學(xué)在中醫(yī)藥領(lǐng)域研究中已取得了許多創(chuàng)新性的研究成果，如揭示中藥及復(fù)方藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、作用機(jī)制及不同證候中生物標(biāo)志物等[10]。研究表明，中藥對(duì)氨基酸、糖類、脂類這些肝腎損傷生物標(biāo)志物的代謝途徑有不同程度的改善作用。利用代謝組學(xué)的研究方法和技術(shù)，研究中藥復(fù)方引起機(jī)體內(nèi)源性代謝組的變化，快速篩選出中藥復(fù)方的多種活性成分，有利于闡明中藥復(fù)方的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)，揭示其生物標(biāo)志物并明確作用機(jī)制[11]。

代謝組學(xué)具有檢測的及時(shí)性、全面性、無損性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，是一種整體分析技術(shù)，這與中醫(yī)的整體觀高度吻合。因此，將代謝學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中藥藥性理論研究，不僅有利于藥性理論的臨床應(yīng)用，更有利于復(fù)雜藥性理論如升降沉浮、歸經(jīng)等理論科學(xué)內(nèi)涵的探討和闡釋[12]。中醫(yī)具有獨(dú)特的理論和治療方法，其與代謝組學(xué)有很多相通性，將代謝組學(xué)與中醫(yī)相結(jié)合，相信其在中醫(yī)藥研究中將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

二、代謝組學(xué)在研究生教學(xué)和課題中的應(yīng)用

我們自2013年開始，在研究生《醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)》課程中，開展代謝組學(xué)研究進(jìn)展的專題講座。為即將開始進(jìn)行科研課題設(shè)計(jì)的研究生，進(jìn)行代謝組學(xué)研究進(jìn)展的介紹，并以實(shí)際應(yīng)用為案例，講解如何利用代謝組學(xué)技術(shù)，篩選特定的代謝物進(jìn)行后續(xù)功能分析。特別是針對(duì)性地介紹商業(yè)化的代謝組學(xué)技術(shù)檢測技術(shù)平臺(tái)，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。通過近幾年的授課，使得研究生開始對(duì)代謝組學(xué)產(chǎn)生興趣，并針對(duì)性地開展相關(guān)研究工作。

以心腦血管缺血再灌注損傷為例，通過分別對(duì)比分析損傷模型組與對(duì)照組(標(biāo)本)的代謝物差異，分析哪些代謝物在缺血再灌注損傷后發(fā)生了明顯的變化。進(jìn)一步圍繞候選的代謝物進(jìn)行代謝酶含量分析、代謝物的作用模式等多方面進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。結(jié)合臨床標(biāo)本和患者疾病預(yù)后等相關(guān)性分析，并深入解析調(diào)控這些代謝物的關(guān)鍵酶的表達(dá)變化，全面的認(rèn)識(shí)代謝組學(xué)與疾病的發(fā)生發(fā)展和轉(zhuǎn)歸之間的相關(guān)性。這些觀點(diǎn)得到研究生的一致好評(píng)。我們通過持續(xù)幾年的介紹，在很大程度上增強(qiáng)了對(duì)代謝組學(xué)研究的認(rèn)識(shí)。研究生在科研選題時(shí)，可以更加自信的選擇利用代謝組學(xué)的相關(guān)技術(shù)，使得科研課題的質(zhì)量和創(chuàng)新性得到極大的提升。

三、結(jié)語

隨著檢測分析技術(shù)的不斷發(fā)展，代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛。作為研究生《醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)》的重要組成單元，我們經(jīng)過5年的工作積累，為研究生介紹代謝組學(xué)的最新研究進(jìn)展。我們的工作推動(dòng)了代謝組學(xué)在我校的應(yīng)用，使得研究生的科研選課有了更多的選擇。這也促使我們在后續(xù)的教學(xué)工作中，要不斷地探索新途徑、新舉措，提升代謝組學(xué)在研究生科研課題中的應(yīng)用前景和意義。