代谢组学的发展与药物研究开发

专 论代谢组学的发展与药物研究开发X

刘昌孝

(天津药物研究院,天津药代动力学与药效动力学省部共建国家重点实验室,天津　300193)

摘　要　代谢组学是近年来新发展起来的一门组学,其主要研究体系有生物体液、生物组织及单个细胞的代谢组,利

用一些现代的分析技术,如N M R、L C-M S、G C-M S等,取得整个研究体系的多维数据后,利用模式识别和专家系统技术寻

找其中的系统生物学信息。本文从代谢组学的发展,代谢组学的研究范围和研究方法,以及在药物的作用机制和安全性评

价,疾病模型,特别是中药研究的应用等方面予以阐述。

关键词　代谢组学,药物研究开发,作用机制,安全性评价,中药现代研究,疾病诊断

中图分类号:R969 文献标识码:A 文章编号:1006-5687(2005)02-0001-06

Development of metabonomics and drug research and development

Liu Chang xiao

T ianjin K ey L abor ato ry of P harmaco kinetics and phar macodynamics,T ianjin I nstitute of Phar maceutical R esea rch,T ian-jin,300193

Abstract M etabo no mics is a new"-omics"science developed in r ecent year s.Its major r esearch objects co ver bio-fluid,

bio-tissue and metabolome of sing le cell.M odern a nalyt ical techno lo gies such as N M R,L C-M S and G C-M S are used to obtain multi-dim ensio nal data fo r the w hole resear ch sy st em,then pat tern r eco gnit ion and ex pert sy stems are emplo yed

to ext ract systemat ic bioinfo rmat ion.In this r eview,the development of met abo nomics,r esearch field,resear ch metho ds

and applicatio ns fo r mechanism o f drug action,dr ug to xicity screening,clinical safety and disease diag no sis,specifically in

tr aditio na l Chinese medicines ar e intr oduced.

Key words M etabonomics,dr ug r esearch and development,m echanism o f dr ug action,dr ug to xicity,tr aditio nal Chinese medicine,disease diagnosis

1　代谢组学研究的形成和发展

基因组(g enome)是指某一生物的所有DNA;基因组学是一门研究生物的整个基因组的科学。转录物组(transcriptome)是指某一生物或细胞所有基因表达的RN A;转录物组学是一门对某一生物或细胞所有基因表达的RNA(如mRNA)进行全面分析的科学。蛋白质组(pro teom e)是指某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质;蛋白质组学是一门对某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质进行定性和定量分析的科学。转录组学和蛋白质组学是分别在基因的转录和转录后的蛋白质翻译与修饰两个水平上,研究基因的功能。代谢组学相对于其它组学而言还是一门较新的组学,不过已经显示了其在药物发现过程中的巨大潜力,它可以在药物发现过程的前期就能识别药物的毒性,避免了药物发现过程中的损耗。代谢组学研究有希望成为新药发现与研发过程的一个必需部分[1]。代谢组学作为一门新发展的技术,它是通过考察生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后)其代谢产物的变化或其随时间的变化,来研究生物体系的代谢途径的一种技术[2]。最初人们提出了代谢物组(m etabo lome)的概念,严格地说,代谢物组应该是指某一生物或细胞所有的代谢产物(m etabolite)。在实际工作中,由于分析手段的局限性,更多的人倾向于把代谢物组局限于某一生物或细胞中所有的低分子量代谢产物。与基因组学、转录组学和蛋白质组学相对应,即代谢物组学是一门对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析,以监测活细胞中化学变化的科学。

在人们逐步的研究过程中,提出了一些相关概念,如代谢物靶目标分析(m etabo lite target analysis),代谢轮廓(谱)分析(m etabolic profiling analy sis),代谢组学(metabo no mics)或代谢物组学(m etabo lomics),

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X收稿日期:2005-04-01

作者简介:刘昌孝,男(1942-),中国工程院院士,研究员,教授,博士生导师,主要从事药理学和药物代谢动力学的研究。现任天津药代动力学与药效动力学部省共建国家实验室主任,国家医药管理局天津药代动力学与临床药理学研究室主任等职。承担国家重大研究项目25项,领导完成100余个新药的药代动力学研究,获得27项科技成果奖,在国内外发表论文200多篇,中英文版专著12部。

代谢指纹分析(m etabolic fingerprinting analysis)。其中,m etabolom ics 和m etabonomics 分别从metabolome 和metabo nom e 演化而来,m etabolom ics 最早出现在Fiehn 小组的工作中,Fiehn 研究小组[3-6]主要研究植物生理代谢网络,其分析技术主要以GC-M S 为主,也利用NM R 和MS 技术;而metabonom ics 由Nicholson 率先提出[2,7],主要利用核磁共振手段分析动物体的代谢过程。因此有人提出以分析手段来区分metabo lomics 和metabonomics,目前国内的代谢组学研究小组基本达成共识,即用metabonomics 一词来表示“代谢组学”。

2　研究代谢组学的意义

人基因组计划的基本完成,表明后基因组时代的到来,生命科学的主要任务是基因组功能分析。有人估计认识其功能比认识其结构任务更艰巨,花时间更长(50年或更长),核心思想是整体性研究——以生物体内某一物质分子整体为对象的研究。近年来,人类基因组测序工作的完成,迎来了后基因时代。人们对生命过程的理解有了很大的提高,研究的热点转移到基因的功能和几个“组学”研究,包括研究RNA 转录过程的转录组学、研究某个过程中所有蛋白及其功能的蛋白组学、研究代谢产物的变化及代谢途径的代谢组学。遗传信息由基因经转录物向功能蛋白质传递,基因功能由其表达产物来体现。继基因组后,转录物组、蛋白质组出现,并相应形成“-om ics ”学说,如转录物组学(transcriptom ics)、蛋白质组学(proteomics)等。但是基因与功能的关系,还不能用转录物组、蛋白质组来表达生物体的全部功能,于是出现代谢物组学和代谢组学。以基因、mRNA 、蛋白质、代谢产物为研究对象的基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学,自然也是一个有机的整体,它们都是系统生物学特别是分子系统生物学研究的重要组成部分,系统生物学是后基因

组研究最具挑战性的一个研究领域。

图1　代谢组学与基因调控相关的“-组学”的关系

后基因组时代,代谢组学的出现,特别在药物安全

性研究中的应用,认为该新兴的学科分支会对药物安全性研究产生革命性的影响。面对风险的挑战,国外大制药公司:施贵宝(Br istol-M ey ers-Squibb),礼来(Eli lilly),哈弗曼-罗氏(Hoffm ann-La Roche),诺瓦迪(Novo Nordisk),辉瑞(Pfizer),法马西亚(Pharma-cia )和帝国理工学院(Imperial Co lleg e ,Londo n ),应用代谢组学评价药物毒性,进行后选药物的临床前毒性筛选,进而对广泛模型化合物评价和安全性预测(3年中在大鼠和小鼠的尿的NM R 分析研究了150个肝肾毒性模型)。他们的研究成果引起人们的关注,为发展这一新兴学科增添了力量。

代谢组是反应机体状况的分子集合,所有对机体健康影响的因素均可反映在代谢组(m etabono me )中,基因、环境、营养、药物(外源物)和时间(年龄)最终通过代谢组对表达施加影响。代谢组也是评价健康和治疗的合适的分子集合,因此研究代谢组学对药物治疗有直接意义。代谢组学是后基因时代的一门新兴的独立学科(2000年以后,发表的论文也不足100篇),该学科的应用跨越生物技术和医药技术,具有广泛发展前景。它与药物的药效和毒性筛选及评价研究、作用机制研究和治疗合理用药密切相关。3　研究对象和内容

基因组学和蛋白质组学——药物靶位发现和鉴别,组合化学——满足大量化合物的需要,高通量筛选——分子和细胞水平,生物活性快速评价,代谢物组学——新的评价系统,安全性和药效评价。代谢物组——生物体内小分子代谢物的总和,为基因表达和代谢形成的中间产物和最终产物。代谢组学测定的对象是生物标本——生物体液(如血液、尿等)、细胞提取物、细胞培养液和组织等。测定代谢物变化——研究系统生化谱和功能调节,应用代谢组信息——进行生物信息、化学计量学、统计学分析发现其内在的联系。4　研究方法

方法思路与基因组学相似,代谢组学研究细胞或生物样品的所有代谢的综合表现——全局观点,在研究方法上,代谢组学与其他基因组学不同之处,如在样本采集和处理上,方法简单,测定快速,并能进行动态连续研究。它虽然是一年轻的学科,但分析方法成熟,适于定性定量(HPLC,MS,NM R),实现与功能的联系,通过(与药效、毒性)比较、验证,所得结果容易与传统方法所得结果联系。代谢组学通常采用绘图技术,现代分析测定方法(NM R ,HPLC ,MS )绘制代谢物组图,应用计算机技术和统计方法,完成“指纹图谱”(fingerpr int ),以高通量的实验和大规模的计算为特征。其中NM R 在药物代谢物组学研究中,显示出极高

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