代謝組學在家畜疾病研究中的應用

余國春，吳亞琳，胡 憲

(1.四川省水產(chǎn)學校，四川 郫都 611730；2.成都市彭州市致和街道辦事處，四川 彭州 611930)

0 引言

Nicholson在1999年首次提出代謝組學的概念，因其靈敏性和高效性，在動物營養(yǎng)學、動物遺傳育種、動物疾病研究以及動物性產(chǎn)品安全監(jiān)測中意義非凡[1-2]。代謝組學可識別生理生化過程中的小分子物質(zhì)，辨析有機體生命活動中的點滴變化，近年來逐步成為家畜疾病研究的有效工具。本文就代謝組學的特點、研究方法和在家畜疾病診斷和預防中的應用做簡要介紹。

1 代謝組學的特點

代謝組學被稱為組學研究的 “終點”，檢測分析細胞的內(nèi)外源代謝物，在代謝水平上放大和剖析基因與蛋白質(zhì)水平的變化，填充了基因表達與表型呈現(xiàn)之間的空白區(qū)域。代謝組學多用于人類疾病的探索，在經(jīng)濟動物的疾病診治領域中相對較少。

2 代謝組學的研究方法

代謝組學在家畜疾病研究主要包括以下核心環(huán)節(jié)[2-3]。

1)樣本采集：體液 (血漿、血清和乳汁等)、 組織 (肝臟、肌肉和脂肪等)。

2)研究技術：核磁共振 (NMR)、氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用 (GC-MS)和液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用 (LC-MS)等。

3)研究策略：靶向代謝組學、非靶向代謝組學和廣泛靶向代謝組學等。

4)數(shù)據(jù)分析：主成分分析(PCA)、非線性映射(NLM)和聚類分析(HCA)等非監(jiān)督方法，聯(lián)用最小二乘法(PLS-DA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)等監(jiān)督方法。

3 代謝組學在家畜疾病研究中的應用

在現(xiàn)代化家畜生產(chǎn)中，集約化和規(guī)模化養(yǎng)殖成為大勢所趨，隨之而來的則是家畜疾病的高發(fā)態(tài)勢。2018年8月，非洲豬瘟 (ASF) 肆掠而來，嚴重地危害了我國養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更加強烈地凸顯了家畜疾病防治的重要性。利用新興的代謝組學進行早期診斷，對家畜疾病進行精準診斷和積極預防，便可取得較為理想的風險防控效果。

3.1 代謝組學在牛羊疾病研究中的應用

羅芳等為預防奶牛產(chǎn)后異食癖，采用超高效液相色譜—四極桿—飛行時間質(zhì)譜 (UPLC-Q-TOF MS)代謝組學技術，聯(lián)用主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘法分析 (OPLS-DA)，篩選出包括乙酰肉堿、DL-苯丙氨酸、2-八烯酸等在內(nèi)的11種潛在代謝標志物[4]。Ceciliani等綜述了高產(chǎn)奶牛的幾種典型“職業(yè)病”(如酮癥、奶熱癥、脂肪肝綜合征等) 的發(fā)病機制，并利用雙組學 (蛋白組學和代謝組學) 技術，進一步研究和剖析了其潛在的生物標記物[5]。Matoba等對人工體外受精的卵子進行了代謝層級的監(jiān)測，揭示了牛卵母細胞的正常發(fā)育可能受谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸的正面影響，而受到尿素的負面影響[6]。Leslie等采用代謝組學和蛋白組學技術，對比研究了高海拔缺氧地區(qū)和海平面附近的妊娠后期母羊，解密了誘導綿羊胎肺畸變的機制，即缺氧引起核苷酸增加導致肺血管表型轉化[7]。

3.2 代謝組學在豬病研究中的應用

Bertram等以黑麥為主成分和小麥為主成分的2種飼料飼喂高膽固醇血癥豬，證實了食用黑麥飼料會提高血漿堿的含量；并基于核磁共振(NMR)和偏最小二乘法 (PLS-DA) 探究了此過程中高膽固醇血癥豬的內(nèi)源性生化效應，揭示了實現(xiàn)血漿中堿含量評價的生物標志物[8]。Gong等提取了感染豬瘟病毒的仔豬血清，采用超高效液相色譜/電噴霧飛行時間質(zhì)譜 (UPLC/ESI-Q-TOF/MS) 聯(lián)合多變量分析，表明腸道微生物與豬瘟病毒宿主代謝具有一定關聯(lián)[9]。Dou等通過核磁共振 (NMR) 方法和稀疏偏最小二乘判別分析(sPLS-DA)，建立了大白豬×克里奧爾豬的子一代對熱敏感度的預測模型，為所測樣本的熱應激反應預防提供了科學根據(jù)[10]。

3.3 代謝組學在禽病研究中的應用

Lu等 利用代謝組學監(jiān)測熱應激對肉仔雞代謝的影響，對照研究了病理狀態(tài)與正常狀態(tài)的血清樣本，被檢測的258種代謝物中有78種存在顯著差異，真切反映了熱應激肉雞處于負能量平衡狀態(tài)，無法有效地調(diào)配脂肪，導致脂肪代謝異常進而影響肉雞生長[11]。施壽榮聯(lián)用代謝組學和轉錄組學2種高通量組學研究方法，揭露肉雞腹水綜合征或關聯(lián)脂質(zhì)代謝紊亂，明晰了早期肉雞腹水綜合征的發(fā)病機制，從源頭上避免肉雞腹水綜合征對生產(chǎn)性能的負面影響[12]。

4 展望

代謝組學是組學時代的后起之秀，朝氣蓬勃且潛力無窮。近年來，代謝組學技術被用于小分子代謝標志物的篩選、驗證及臨床轉化，開啟了動物疾病的早期診斷和無創(chuàng)診斷的新篇章。組學技術的聯(lián)合運用，多層次多角度地挖掘動物疾病的發(fā)病機理，對家畜疾病的診斷和預防裨益無窮。代謝組學的發(fā)展方興未艾，亟需解決的仍有以下問題。

1)樣本的有效含量保證。

2)樣品處理方法的標準化制定。

3)分析方法的合理選用。

4)實驗成本的切實降低。

這些問題制約了代謝組學在獸醫(yī)學領域的廣泛推廣以及其他新領域的探究使用。但隨著代謝組學技術的優(yōu)化，以及在家畜疾病診斷和治療應用領域的不斷探索和升級，代謝組學必能滿足家畜疾病臨床診斷乃至獸藥研發(fā)的需求，為解析動物體表型呈現(xiàn)和基因表達的相互關聯(lián)提供廣闊前景。