代谢组学在研究生《医学分子生物学》教学和课题设计中的应用

张健

(空军军医大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室，陕西 西安 710032)

物质代谢是细胞生命活动的基础，葡萄糖、脂类和氨基酸等每种营养物质都有其特定的代谢通路，但彼此间又相互联系、相互转化。代谢组学是系统分析生物个体、组织或特定细胞中小分子代谢物总体含量和分布规律的技术。代谢组学以组群代谢指标分析为基础，结合模式识别分析方法，对生物体内相对分子质量3 000以下的小分子代谢物进行定性和定量分析，是系统生物学的重要组成部分。与转录组学和蛋白质组学相比，代谢组学具有易于检测、通用性强、数据准确等优点，并通过代谢物分析能够更灵敏的评价各种应激对细胞代谢物质流的影响。

随着质谱分析等代谢组学技术日益成熟，代谢组学在医学研究中的应用越加广泛，近年来发表的代谢组学相关研究论文、以及以代谢组学为主申报的科研基金的数量也在不断增加。自2013年开始，我们在研究生《医学分子生物学》课程中，以代谢组学的研究进展和方法为专题，着重介绍代谢组学的最新研究进展、研究方法和课题设计策略等内容，极大的推动了我校代谢组学的研究水平，为研究生的科研选题和论文发表提供了有力的理论支撑。本文结合代谢组学技术研究进展和方法，以及在研究生教学中的应用谈一下体会。

一、代谢组学在医学研究中的应用

上世纪20年代，德国科学家Otto Warburg提出“肿瘤或快速增殖的细胞即使在氧供充足时依然选择糖酵解方式供能”，被称为Warburg效应(Warburg effect, 瓦博格效应)[1]。随着分子生物学的发展，现在人们已经认识到肿瘤细胞中的癌基因扩增、突变，以及抑癌基因的失活等代谢重编程过程是导致这种效应的根本原因。近年来，代谢组学在肿瘤研究中的应用十分广泛，不仅为人们提供肿瘤诊断治疗的新思路，也极大的推动了代谢组学研究的整体水平。代谢组学业已成为当今医学和生命科学研究最热的研究领域之一，也促使人们开始重新认识代谢组学的研究价值。

1.代谢组学在肿瘤研究中的应用：代谢组学的研究在肿瘤研究中无疑是最深入、最前沿的领域，代谢紊乱已经成为肿瘤的十大恶性表征之一[2]。根据近年来代谢组学研究在肿瘤研究领域的进展，主要围绕丙酮酸激酶2(Pyruvate kinase M2, PKM2)、AMP激活的蛋白激酶(AMP activated protein kinase, AMPK)和异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)等三个重要代谢酶的研究进展进行介绍。

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，是糖酵解的限速步骤之一。研究显示，肿瘤细胞内PKM2的表达增加，促使其形成酶活性较低的二聚体形式。究其原因，当PKM2高表达时，其催化酶的活性降低，可以使得糖酵解的中间产物分流至磷酸戊糖途径等其它代谢通路。中间代谢产物可以作为反应底物参与转化过程，以适应快速增殖的肿瘤细胞对物质代谢的需要。PKM1和PKM2来自于同一转录本，由于第9、10外显子的差异剪接导致了两种亚型的形成。而癌基因Myc等可以调控RNA剪接酶的表达，从而促使形成包含第10外显子的PKM2转录本[3]，更有利于肿瘤的物质代谢需求。

AMPK(AMP激活的蛋白激酶)：AMPK被称为细胞能量的感受器，是生物能量代谢调节的关键分子，是肿瘤、糖尿病及其他代谢相关疾病研究的核心。当细胞内能量不足时，AMP浓度增加，活化AMPK，并进一步抑制细胞的增殖信号。研究显示，二甲双胍、阿司匹林等药物具有一定抗癌能力，其主要机制是通过激活AMPK/mTOR信号通路[4]。而厦门大学林圣彩教授的最新研究显示，AMPK对低浓度的葡萄糖浓度更加敏感，进一步拓展了AMPK的功能和机制[5]。

IDH(异柠檬酸脱氢酶)：IDH催化异柠檬酸生成α-酮戊二酸(α-KG)，是三羧酸循环中的重要限速步骤之一。研究显示，在80%的II/III级胶质瘤、10%的急性髓性白血病中存在IDH1/2的突变[6]。突变的IDH可进一步将α-酮戊二酸转化为羟戊二酸(α-HG)，最终促使肿瘤的发生。因此，2-HG被认为脑胶质瘤的代谢标记物，其含量与肿瘤的复发转移密切相关，可用于肿瘤的预后监测。

2.代谢组学在临床诊断中的应用：相对于正常组织，肿瘤细胞生长迅速，代谢旺盛，摄取葡萄糖的能力增强。临床PET-CT检查的原理就是基于肿瘤细胞的代谢特征而设计的。PET-CT通过探测葡萄糖类似物18F-FDG在体内的放射性分布，扫描葡萄糖代谢特别旺盛的部位，对微小的病灶或转移灶具有很好的甄别能力。除了在肿瘤诊断中的应用，代谢组学在呼吸系统疾病、心脑血管疾病等方面，也具有很好的应用前景。例如，代谢组学技术可以提高支气管哮喘检测的准确性和灵敏度，在一次的检测分析中可同时查找多个与疾病相关的生物标志物，测定不同时期、不同状态下机体代谢物质的变化，更好地研究其发病机制和病理生理机制[7]。而在冠状动脉粥样硬化的早期诊断中，氨基酸类、胆碱类、磷脂类等与冠状动脉粥样硬化的疾病进程高度相关，可以作为疾病预防和筛查的代谢标志物[8]。在辅助生殖研究领域，利用代谢组学可分析预测卵子的发育潜能，卵泡液的代谢组学分析将为筛选优质卵子和胚胎方面开辟新的篇章[9]。

3.代谢组学在中医药方面的研究进展：中药的成分比较复杂，药物代谢组学是研究中药低毒性的比较全面且灵敏的方法。目前，代谢组学在中医药领域研究中已取得了许多创新性的研究成果，如揭示中药及复方药效物质基础、作用机制及不同证候中生物标志物等[10]。研究表明，中药对氨基酸、糖类、脂类这些肝肾损伤生物标志物的代谢途径有不同程度的改善作用。利用代谢组学的研究方法和技术，研究中药复方引起机体内源性代谢组的变化，快速筛选出中药复方的多种活性成分，有利于阐明中药复方的药效物质基础，揭示其生物标志物并明确作用机制[11]。

代谢组学具有检测的及时性、全面性、无损性、动态性等特点，是一种整体分析技术，这与中医的整体观高度吻合。因此，将代谢学技术应用于中药药性理论研究，不仅有利于药性理论的临床应用，更有利于复杂药性理论如升降沉浮、归经等理论科学内涵的探讨和阐释[12]。中医具有独特的理论和治疗方法，其与代谢组学有很多相通性，将代谢组学与中医相结合，相信其在中医药研究中将会有更广泛的应用。

二、代谢组学在研究生教学和课题中的应用

我们自2013年开始，在研究生《医学分子生物学》课程中，开展代谢组学研究进展的专题讲座。为即将开始进行科研课题设计的研究生，进行代谢组学研究进展的介绍，并以实际应用为案例，讲解如何利用代谢组学技术，筛选特定的代谢物进行后续功能分析。特别是针对性地介绍商业化的代谢组学技术检测技术平台，以及后续的数据分析应用。通过近几年的授课，使得研究生开始对代谢组学产生兴趣，并针对性地开展相关研究工作。

以心脑血管缺血再灌注损伤为例，通过分别对比分析损伤模型组与对照组(标本)的代谢物差异，分析哪些代谢物在缺血再灌注损伤后发生了明显的变化。进一步围绕候选的代谢物进行代谢酶含量分析、代谢物的作用模式等多方面进行整体评价。结合临床标本和患者疾病预后等相关性分析，并深入解析调控这些代谢物的关键酶的表达变化，全面的认识代谢组学与疾病的发生发展和转归之间的相关性。这些观点得到研究生的一致好评。我们通过持续几年的介绍，在很大程度上增强了对代谢组学研究的认识。研究生在科研选题时，可以更加自信的选择利用代谢组学的相关技术，使得科研课题的质量和创新性得到极大的提升。

三、结语

随着检测分析技术的不断发展，代谢组学在医学研究中的应用越来越广泛。作为研究生《医学分子生物学》的重要组成单元，我们经过5年的工作积累，为研究生介绍代谢组学的最新研究进展。我们的工作推动了代谢组学在我校的应用，使得研究生的科研选课有了更多的选择。这也促使我们在后续的教学工作中，要不断地探索新途径、新举措，提升代谢组学在研究生科研课题中的应用前景和意义。