代谢组学的概述

代谢组学（metabolomics或metabonomics）是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后兴起的系统生物学的一个新的分支，它是通过考查生物体系受刺激或扰动前后（如将某个特定的基因变异或环境变化后）代谢产物图谱及其动态变化研究生物体系的代谢网络的一种技术，研究对象主要是相对分子质量1　000以下的内源性小分子。显而易见，DNA与mRNA以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础（但这个过程有可能不发生），而代谢物质所反映的是已经发生了的生物学事件。因此，代谢组学是对一个生物系统进行全面认识的不可缺少的一部分，是全局系统生物学（global　systems　biology）的重要基础，也是系统生物学的一个重要组成部分。在现有的英文表述中，代谢组学同时存在两个不同的词汇和概念，即metabonomics和metabolomics。尽管前者多用在动物系统而后者多用于植物和微生物系统，但这些概念的本质从他们的定义中能够得到较细致的了解。metabonomics的最初定义是就生物系统对生理和病理刺激以及基因改变的代谢应答的定量测定。这个定义现在可以更广泛地表述为：代谢组学是关于定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。其中心任务包括：对内源性代谢物质的整体及其动态变化规律进行检测，量化和编录；确定此变化规律和生物过程的有机联系。metabolomics存在多个定义，但其精髓是：对一个生物系统的细胞在给定时间和给定条件下所有小分子代谢物质的定量分析。因此，metabolomics可以译作“代谢物组学”。不难看出，前者是对生物系统进行的整体和动态的认识（不仅关心代谢物质的整体也关注其动态变化规律），而后者强调分析而且是个静态的认识概念。因此可以认为，metabolomics是metabonomics的一个组成部分。近年又有人提出了“dynamic metabolomics”的概念，这个概念所表达的含义十分接近“metabonomics”本身的含义。所以，可以预见，随着这门新兴学科的发展和更深入讨论，这两个概念必将趋向一致。

就细胞系统而言，不仅存在细胞自身的代谢物质组成问题，存在细胞之间代谢物质交换的问题，也存在代谢过程所发生的位点问题。因此，简单地分析代谢物质的总组成（即代谢组）缺乏“整体论”所要求的全面性，其意义有一定局限。代谢组学属于全局系统生物学研究方法，便于对复杂体系的整体进行认识。譬如，一个正常工作的人体包括“人体”本身和与之共同进化而来且共生的消化道微生物群体（或称菌群），孤立地研究“人体”本身的基因，转录子以及蛋白质当然可以为人们认识人体生物学提供重要信息，但无法提供使人体正常工作不可缺少的菌群的信息。人体血液和尿液的代谢组却携带着包括菌群在内的每一个细胞的信息，因此代谢组学方法对研究如人体这样复杂的进化杂合体十分有效。正因如此，代谢组学已经广泛地应用到了包括药物研发、分子生理学、分子病理学、基因功能组学、营养学、环境科学等重要领域。在代谢组学诞生的过去6年里，有关代谢组学的研究论文和专利以指数的形式逐年增长。可以预见，这门新兴学科将应用到更为广泛的领域。

与转录组学和蛋白质组学等其他组学相比，代谢组学具有以下优点：①基因和蛋白表达的微小变化会在代谢物水平得到放大；②代谢组学的研究不需进行全基因组测序或建立大量表达序列标签的数据库；③代谢物的种类远少于基因和蛋白的数目；④生物体液的代谢物分析可反映机体系统的生理和病理状态。通过代谢组学研究既可以发现生物体在受到各种内外环境扰动后的应答不同，也可以区分同种不同个体之间的表型差异。代谢组学相关研究可追溯到始于20世纪70年代的代谢谱分析（metabolic　profiling），这类代谢谱分析通常采用气相色谱质谱联用技术（gas　chromatography－mass　spectrometry，GC－MS）对患者体液中代谢物进行定性、定量分析及对疾病进行筛选和诊断。这种在临床上利用代谢谱分析诊断有关疾病的方法一直延用至今。