代谢组学（精选10篇）
代谢组学 篇1
代谢足迹技术及在代谢组学中的应用
系统地介绍了一种用于分析生物细胞和组织特异性的新战略--代谢足迹技术以及它在酵母细胞和人体组织中代谢分析的应用.代谢足迹技术是利用直接注射质谱方法,在分析系统中以培养基为介质,监控细胞从生长培养基中消耗营养物以及分泌代谢物至培养基的`全部过程.也就是说,这是一种用高通量方法检测由细胞和组织分泌的代谢产物或从环境中吸收代谢物的定性和半定量的通用分析方法.
作 者：丛丽娜 刘强 李宪臻 SMITH John CONG Li-na LIU Qiang LI Xian-zhen SMITH John 作者单位：丛丽娜,刘强,李宪臻,CONG Li-na,LIU Qiang,LI Xian-zhen(大连轻工业学院,生物与食品工程学院,辽宁,大连,116034)SMITH John,SMITH John(Cornel IT Solutions Ltd,Hampshire,UK;大连轻工业学院,信息工程学院,辽宁,大连,116034)
刊 名：辽宁师范大学学报（自然科学版） ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF LIAONING NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 29(4) 分类号：Q785 关键词：代谢足迹 代谢组学 代谢组 直接注射质谱代谢组学 篇2
随着畜牧业的快速发展, 畜禽营养代谢病在养殖业出现了高发状态, 且因为其发病机理的复杂性以及治疗困难, 逐渐受到研究者们的重视。目前, 人们对动物营养代谢病的研究, 主要在表观的症状和防控治疗方面。如何更加深入地了解营养代谢病的发生和发展机制, 并应用于临床防治中, 成为了畜牧业有待攻克的难题。
代谢组学技术的出现, 将人们对病理表观的认识和代谢物分子动态变化联系在一起。代谢组学可从分子水平更系统全面地揭示疾病病理变化和发病机制, 发现由疾病过程引起的代谢异常, 以及各代谢性疾病之间的关联, 为疾病的预防和治疗提供理论基础, 还有助于疾病生物标志物的发现并辅助临床诊断与治疗的目的。代谢组学来源于代谢组[1], 是以组群指标分析为基础, 以数据处理为手段, 以信息建模整合为目标, 通过对机体代谢产物在时间上的定量和定性分析, 从总体上评价生命体的功能状况及其改变[2]。代谢组学所研究的是相对分子质量小于1 000 的代谢物[3], 与其他组学相比, 代谢物含量的微细变化与生物表型的大改变有直接相关性[4]。根据研究的对象和目的的不同, 2001 年Taylor等[5]将代谢组学分为4 个层次: (1) 代谢物靶标分析 (metabolite target analysis) :对某个或某几个特定的样品组分分析。 (2) 代谢轮廓 (谱) 分析 (metabolite profiling analysis) :定量的对少数所预设的目标代谢产物进行分析。 (3) 代谢组学 (metabonomics) :对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量。 (4) 代谢指纹分析 (metabolite fingerprinting analysis) :不分离鉴定具体单一组分, 而是对样品进行快速分类。鉴于代谢组学技术上述特征, 本文通过对近几年代谢组学在动物营养代谢病中的应用进行综合论述, 为今后动物营养代谢病的研究提供理论依据。
2 分析技术平台
根据研究目的和研究对象的不同, 代谢组学的技术程序和分析方法也各有不同, 但一般都包括以下几个流程:样品的采集和预处理、样品的配制与检测、数据的处理和分析、代谢标志物识别和生化途径分析等[6]。目前, 代谢组学中最为常用的是液相与质谱联用技术 (LC-MS) 、气相与质谱联用技术 (GC-MS) 和核磁共振技术 (NMR) 三种分析技术。通过这三种分析平台将代谢组学对小分子代谢物的分析分为目标分析和非目标分析[7]。
2.1 核磁共振技术核磁共振主要是由原子核自旋运动引起, 根据电子绕原子核运行所产生的屏蔽效应可作出NMR图谱。其中, 1H NMR是目前疾病监测研究中的主流技术手段, 人们通过目标质子与参照物质中相对应的质子之间共振频率的差异 (百万分之一) 来确定1H NMR的化学位移。
NMR分析技术具有多重优点:针对样品检测无偏向性, 且预处理简单、对样品损伤性小, 因此可较全面的对样品进行定性检测;但由于其灵敏度较低, 因此不适合分析大量低浓度代谢物。
2.2 气气相相色色谱谱-质谱联用技术气相色谱-质谱联用技术是将色谱仪与质谱通过适当的接口相结合完整的分析仪器[8]。其原理是样品主份不同, 各主份通过色谱柱进入质谱分析仪, 样品被离子化经过电场或磁场的筛选, 通过样品的质谱和相关信息, 可以得到样品的定性定量结果[9]。
气相色谱-质谱联用技术可提供较高的分辨率和检测灵敏度, 并且有可供参考、比较的标准谱图库, 可以方便地对相对质子质量小于800 的热稳定、易挥发性含羟基、羧基、氨基和亚氨基等基团的极性强的化合物或处理后具可挥发性的样品定性结果[10]。但由于GC-MS只能对其中的挥发性组分实现直接分析, 从而得不到体系中难挥发的大多数代谢组分的信息。而且样品准备工作比较繁琐, 因此, 常常作为其他的辅助检测技术。
2.3 液液相相色色谱谱-质谱联用技术液相色谱-质谱联用技术主要由液相色谱系统 (LC) 和质谱仪 (MS) 等部分组成。其基本原理是液相色谱对所检测物质进行分离, 然后通过质谱来鉴定, 具备LC的特性 (如分辨率高、灵敏度高) 和MS的特点 (如测序速快、精确度高) 。
液相色谱-质谱联用技术适用于那些热不稳定、不易挥发、极性更大、不易衍生化合分子量较大的物质。相对于其他组学, LC-MS具有较高的灵敏度和选择性; 多种柱效结合分析 (如C18, Amid, HILIC, T3, Phenyl) , 也使样品的分析范围广泛;善于定性定量分析。但LC-MS需要标准品以及独立的数据库, 致使其分析能力受到了限制。
通过代谢组学分析技术平台对样品进行一系列处理后, 需要对各种分析手段 (NMR、LC-MS和GC-MS) 各自的特点, 进行相应的算法对原始谱图的数据进行提取、峰对齐[11]、去噪[12]等处理。然后需要对这些数据进行分析, 挖掘隐含于其中的有用信息。数据分析包括无监督模式识别方法和有监督识别方法, 无监督模式识别:该方法用于从原始谱图信息或与处理后的信息中对样本进行归类, 并釆用相应的可视化技术直观地表达出来。该方法将得到的分类信息和原始信息进行比较, 建立代谢产物与原始信息的联系, 筛选与原始信息相关的一些标记物, 进而考察其中的代谢途径。由于该方法没有可供学习的训练样本, 成为无监督识别方法。主要有:主成分分析[13]、非线性映射[14]、族类分析[15]等, 其中应用最广泛的为主成分分析。有监督识别方法:在已有知识的基础上建立信息组, 利用己知的信息组对数据进行归类、识别和预测分析。由于建立模型时有可供学习利用的训练样本, 故称有监督方法。最常用是主成分分析 (Principal Component Analysis, PCA) 和偏小二乘法 (Partial least squares, PLS) 。PCA在不作任何介入和无任何假设的前提下给出待分析样品的内在区别, 而PLS则有一定的假设。对这些方法, 尤其是指导性方法的选择都是有—定条件的, 也正因为如此使用指导性分析方法时要格外注意假设的基础和成立性。
3 代谢组学在动物营养代谢病中的应用
3.1 在单胃动物营养代谢病研究中的应用肝脏是糖、脂肪和氨基酸代谢的主要场所, 在物质代谢和转运起到了举足轻重的作用, 肝脏发生代谢紊乱及损伤常常导致营养代谢病的发生, 而传统医学通过血液指标对肝脏及代谢过程的监测, 往往不能及时反映机体代谢状态, 而代谢组学通过对代谢物的检测, 为疾病的诊断和挖掘代谢通路提供有力的技术支持。Saitoh W等[16]使用液相色谱技术对小鼠肝脏急性损伤进行分析, 发现当小鼠肝脏受损时, 精氨酸到鸟氨酸代谢途径会受到影响, 并阐明血中精氨酸和鸟氨酸水平有可能成为肝脏急性损伤的潜在标志物。Matsuzaki K等[17]对过量摄入亮氨酸的大鼠血浆代谢组学分析表明, 尿素和小-酮异已酸可能是氨基酸过量摄入时的标识物。Bertram H C等[18]利用基于NMR的代谢组学的方法来探索分别以黑麦或小麦为主的富含纤维的饲粮对高胆固醇血症猪内源性生化效应的影响, 揭示了高胆固醇血症猪摄入高纤维黑麦饲粮后, 血浆碱含量增加, 并找出了评价血浆碱含量的标识物。李民等[19]进行了营养不良大鼠血浆小分子物质代谢组学的研究, 结果表明营养不良组大鼠与正常大鼠相比, 血浆中肉毒碱和色氨酸含量增加, 而甜菜碱、棕榈酰肉碱、亚麻酸、二十二碳六烯酸和花生四烯酸等含量均降低, 因此代谢组学可作为营养不良指标的筛选方法。Kowalski G M等[20]通过饲喂高脂肪日粮对小鼠骨骼肌动员葡萄糖代谢通路的气象色谱-质谱技术分析发现, 骨骼肌动员葡萄糖衍生碳进入三羧酸循环进行氧化, 是通过丙酮酸氢化酶派生的, 而不是通过丙酮酸羧化酶介导的。Noguchi Y等[21]表明用代谢组学的方法可以定量测定氨基酸代谢物, 可估计摄入适量的氨基酸与安全范围, 可研究某种代谢产物与摄入过量的蛋白质、氨基酸的相关性, 以此确定适量安全的氨基酸摄入量。
养殖场对日粮存放不当, 会使饲料组成成分发生改变, 而这对机体的伤害也会导致营养代谢病的高发。Solanky K S等[22]运用基于NMR的代谢组学研究发现, 表儿茶素 (EC) 使SD鼠内源代谢物水平发生明显变化, EC进入体内影响内源性物质的代谢途径, 代谢能力降低, 碳水化合物代谢水平下降, 还可能引起肝脏、肾脏功能改变等。Toue S等[23]通过基于NMR代谢组学技术研究蛋氨酸代谢的标识物, 揭示了高半胱氨酸是监测蛋氨酸是否过量的良好指标。施寿荣[24]利用代谢组学和转录组学共同揭示了脂类物质代谢在腹水综合征肉鸡上发生了异常, 二羟基丙酮可能是低温诱导腹水综合征肉鸡的潜在代谢标志物;甘油磷脂类物质氧化生产溶血甘油磷脂类物质是早期腹水综合征肉鸡发病的重要机制。两种组学研宄手段的结合为系统地阐释AS的代谢特征及其发生机制提供了更加全面的信息。谷类常常受到脱氧腐镰刀菌烯醇的污染, 而猪对其特别敏感, 常常导致猪发生氧化应激, 肠上皮细胞的凋亡, 同时会引起猪能量、脂肪和氨基酸代谢絮乱, 而通过对小猪补充谷氨酸发现, 谷氨酸可减少机体氧化应激, 促进肠上皮细胞的增值, 减少DON引起的代谢絮乱[25]。
另外, 代谢组学也可应用于饲料添加剂对动物的效果研究。He Q等[26]采用基于NMR的代谢组学技术对饲粮中添加精氨酸对生长猪的影响进行了研究, 发现增加饲粮中精氨酸添加量能改变机体脂肪和氨基酸的代谢过程, 提高骨骼肌中蛋白质的合成, 调节肠道微生物的代谢, 显著提高猪的生长性能。Avery L B等[27]对患有脂肪肝的大鼠饲喂丙戊醇发现, 丙戊醇是酰苷酸活化蛋白的新的活化剂, 它可减轻肝脏中脂肪的沉积。
3.2 在反刍动物营养代谢病研究中的应用反刍动物发生营养代谢病主要是由饲养管理不当引起。由于泌乳的需求, 反刍动物机体常常处于能量负平衡状态, 而如何掌控反刍动物对营养物质需求的量成为了当今世界性的难题。随着机体的病理变化, 体液和组织中的代谢产物也产生了相应的变化。代谢组学对这些由疾病引起的代谢产物的相应进行分析, 能够帮助更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径, 还有助于疾病的生物标志物的发现和辅助临床诊断的目的。目前, 已有大量的研究报道利用代谢组学技术来研究动物的各种代谢性疾病的发生过程和结果。Hailemariam D等[28]通过液相色谱质谱分析技术对围产前期和围产后期奶牛进行了分析, 发现肉毒碱、丙酰肉毒碱等三个化合物可能成为预防奶牛围产期疾病的生物标志物。孙玲伟[29]应用1H NMR与GC/MS联用技术, 获得了奶牛临床酮病和亚临床酮病的代谢差异物, 而其中有些代谢差异物可作为奶牛酮病诊断的生物编织物;并全景式地揭示了发生酮病时, 机体发生了广泛的代谢紊乱。Imhasly S等[30]通过液相色谱-质谱联用技术对脂肪肝奶牛代谢标志物进行了分析, 发现29 个差异代谢物。Bertram H C等[31]使用丙二醇诱导奶牛中毒, 使用NMR对奶牛血液和瘤胃液进行分析, 发现丙二醇诱导中毒后, 会导致奶牛呼吸困难血管收缩。肺部血管收缩, 血中血红蛋白氧饱和度显著下降。Saleem F等[32]通过基于代谢组学技术对奶牛饲喂高谷物日粮引起奶牛代谢病的紊乱增加的机制进行了研究, 表明泌乳早期饲喂高谷物日粮会使机体产生大量的炎性因子, 同时引起氨基酸代谢紊乱。李影[33]应用代谢组学的1H NMR技术筛选和确证了Ⅰ型酮病和Ⅱ型酮病的血浆差异代谢物, 不仅验证了奶牛酮病发生过程中糖、脂类和氨基酸的代谢紊乱, 也为今后进一步探究Ⅱ型酮病的发病机制和防治奠定理论基础。
4 小结
代谢组学在中药药理研究中的应用 篇3
【关键词】代谢组学；中药药理；研究应用
0.引言
代谢组学当今一种全新的生物系统研究方法，其主要是对生物体系中的数量、代谢物质种类等进行研究分析。这种中医学方法在我国中药药理研究中得到了十分广泛的应用。通过采用先进的检测技术，以及相关专业的计算方法，以此来判断中药体内代谢组的变化规律，从而对中药的疗效和安全性进行评价。因此，本文针对代谢组学在中药药理研究中的应用进行探讨阐释，從而总结出一些自身的看法与观点。
1.在中药药效物质基础研究中的应用
随着药学技术的不断进步与发展，相关的组学方法也取得了较大的完善与改革。而代谢组学正是在这一发展过程中所累积的产物。自从其被提出以来，受到了我国中药医学界的高度关注，并对其进行了实质性的科研研究，尤其是在对中药药效物质基础方面，很多医学学者进行了深入的探索，并得到了十分显著的成果。在早期的医学研究过程中，已经有部分学者利用代谢组学法，以及先进的分析仪器来对黄芩苷体进行了实验研究，从中发现了三种不同的代谢产物，这就说明这三种化学结构在分解吸收后分别形成了代谢物质，而黄芩甘体则是代谢产物中的主体结构，从而共同组成了该中药的药效物质。
在对钩藤多动合剂的生物化学机制研究中，发现了具有疗效的生物标志物，并证明这种药物是通过调节单胺类神经递质的失衡而发挥作用。有学者对肾虚证的大鼠给予淫羊藿治疗，运用超高效液相色谱质谱结合主成分分析的方法研究发现淫羊藿苷和朝藿定可能为淫羊藿的主要药效物质基础。一些实验结果表明，尖萼耧斗菜的作用靶标与其他9种常用抗菌素一样都是作用于蛋白质的合成，发挥抗菌作用的主要活性物质可能是木兰碱。还有学者实验比较了款冬的花蕾和叶轴水提液对氨诱导的小鼠咳嗽的药效，通过对代谢物的lH—NMR光谱和多远数据分析发现，款冬花蕾的止咳和化痰功效可能与其高浓度的绿原酸、3，5咖啡酰奎宁酸及芸香苷相关。
2.在中药及中药复方作用机制研究中的应用
通常情况下，对于一些药效成分复杂的中药复方进行研究时，代谢组学方法反而能发挥更好的研究作用。因此，针对这一问题，我国某个药学学者就进行了相关的实验研究，通过利用先进的快速液相色谱串联离子阱飞行时间质谱技术对研究物的血液代谢物进行探索研究，从中发现研究物中的胆固醇代谢、氨基酸代谢、等代谢发生了较大的变化。
运用代谢组学的方法结合气相色谱一质谱（GC—MS）的检测手段探讨了下淤血汤对CC1诱导的肝纤维化大鼠的治疗作用机理，通过主成分分析（PCA）、最小偏二乘法（PLS-DA）等模式识别方法，证明了CC1所致的代谢紊乱在下淤血汤的干预下得到恢复，鉴定了10个与调节能量代谢、微生物菌群、氨基酸及脂肪酸代谢相关的生物标志物。下淤血汤的作用机理可能包括这些过程。另外，对心气不足证的代谢组学特征和温心方对其治疗作用进行了实验研究，采用UPLC—MS联用技术、多变量分析和数据库检索等方法，鉴定出了17个生物标志物，通路分析提示心气不足证的糖酵解、糖异生代谢，不饱和脂肪酸、脂肪酸及嘌呤的生物合成代谢网络被严重扰乱，而温心方通过调节多个通路紊乱至正常水平而具有潜在的药理作用。运用代谢组学方法对逍遥散抗抑郁的作用机制进行了实验研究，以核磁共振（NMR）结合多变量分析的方法对血浆代谢物组进行鉴定和分析，发现了11个潜在的生物标志物，且与对照组比较抑郁治疗组的氧化三甲胺、丙氨酸、羟基丁酸、缬氨酸、亮氨酸/异亮氨酸、低密度/极低密度脂蛋白和脂肪含量降低，卵磷脂、高密度脂蛋白、胆碱。
3.在中药安全性和毒性研究中的应用
因为生物样品是具备连续性的特点，研究人员可以对其进行反复获取。并且，还可以在人体内观察毒性的发生时间、效果以及最终的恢复阶段。其次，这种代谢组学方法还可以在药物发现前期就能够对药物的毒性进行快速的辨别，从而有效的避免了药物在发现过程中受到更严重的损坏。这种全新的组学方法相比以往传统的研究手段而言，更具备一定的优势，对于药物的完整、安全性有着至关重要的作用与影响。我国某个医学研究者通过对中药关木通毒性鼠尿液代谢的组进行一系列的研究分析得知，动物体内的药性作用是对药物剂量产生了很大的依赖性。
4.代谢组成在中药药理研究中需要解决的问题
就目前代理组学发展现状来说，虽然其能够全面性的反映出动物或人体生物系统的代谢变化规律及特性。并且，可以准确的得出药物在干预处理后所产生的变化信息。与此同时，又通过利用高新的分析检测技术与方法，对中药药效进行评价，从而确保中药药物的安全性，因而在我国中药药理研究中得到了较为广泛的应用，具有非常广阔的发展前景。但是，由于代谢组学法也是近几年才被提出的，发展时间较短，其中还存在一定的不足和问题，具体表现在以下几个方面；我国现有的分析技术水平仍旧处于滞后的阶段，很难对代谢物的光谱图进行全面的分析，缺少定量分析。其次，无法对大量数据进行具体的研究，这也是当前代谢组学技术中亟待解决的主要问题之一。再者，由于人体内中药外源性成分较为复杂，其所产生的代谢物很可能会对生物系统造成干扰。此外，代谢组学缺乏相关的临床数据，在实际应用过程中，不具备说服力。
5.结束语
综上所述，可以得知，代谢组学在我国中医药领域中受到了高度的关注，并在中药药理研究中得到了广泛的应用，取得了十分显著的成就。虽然其自身还存在一定的问题和不足，但我们坚信，通过医学学者坚持不懈的研究分析，一定会对相关的代谢组学方法及技术进行不断的完善，逐渐建立起完善的代谢组学体系，使其充分发挥重要的作用与有效价值，从而促进我国中药事业的蓬勃发展。
【参考文献】
[1]陈鸿英，朱永志.代谢组学在中医药现代研究中的应用[J].天津药学，2009，21（1）：48-49.
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[3]车庆明，黄新立，李艳梅，等.黄芩苷的药物代谢产物研究EJ].中国中药杂志，2001，26（11）：768-769.
代谢组学 篇4
摘要：介绍了Waters(R)Micromass(R)GCT PremierTM,一种新的气相.正交加速飞行时间质谱联用仪(GCTOF),在测定番茄提取物中一系列不挥发、极性化合物的精确质量数上的应用,跨越一个广泛动态范围的化合物鉴定和半定量测定是代谢应用的关键要求.GCT Premier的`设计可以在更宽的动态范围、高达20光谱/秒的扫描速度下,得到灵敏的、全扫描准确质量数等质谱数据,Waters(R)MarkerLynxTM应用管理软件可以用于大量、复杂样品的采集、数据反卷积和多元统计分析.作 者：彼得汉考克 迈克尔杰克逊 安东尼牛顿 希拉里梅杰 作者单位：沃特世公司,曼彻斯特,英国 期 刊：环境化学 ISTICPKU Journal：ENVIRONMENTAL CHEMISTRY 年，卷(期)：2009, 28(4) 分类号：X7★ 电镜技术在病理诊断中的作用
★ 虚拟现实技术在实验教学中应用的探讨
★ 体外预应力技术在桥梁中的应用
★ 物流技术在库存管理中的应用
★ 多媒体技术在高职高专英语教学中的应用探讨
★ VxD技术及其在实时反病毒中的应用
★ RTK技术在公路勘测中的应用
★ 计算机虚拟技术在远程教育中的应用
★ UG在钣金技术中的应用
林木蛋白质组学研究进展 篇5
林木蛋白质组学研究进展
近年来,应用新的基因组学技术来研究林木生长发育以及林木对生物与非生物胁迫的反应已使得人们对林木生物学有了较多的.了解.蛋白质组学是林木生物学的重要内容.综述了林木蛋白质组学在群体遗传、遗传作图、逆境生理、组织器官以及木材形成等方面的研究进展,并简要介绍了林木蛋白质组数据库.最后展望了林木蛋白质组学的发展前景.
作 者：袁坤 王明庥 黄敏仁 YUAN Kun WANG Ming-xiu HUANG Min-ren 作者单位：南京林业大学林木遗传和基因工程重点实验室,南京,210037刊 名：中国生物工程杂志 ISTIC PKU英文刊名：CHINA BIOTECHNOLOGY年，卷(期)：26(6)分类号：Q816关键词：林木 蛋白质组学 逆境生理 木材形成 数据库
代谢组学 篇6
蛋白质组学研究中的无标记定量方法
蛋白质定量是探索疾病发生发展状况和寻找新药靶标的重要手段.该领域最常用的技术是比较染色后的二维凝胶上蛋白点的光密度值或综合同位素标记后的`质谱峰强度方法.但此二者的样品处理方法都比较麻烦,不利于进行大规模蛋白质组的定量研究.最近几年出现了利用质谱数据进行无标记定量的方法,根据数据类型这些方法可以分为2类:基于鉴定蛋白的肽段数的方法和基于质谱峰强度的方法,在高通量大规模蛋白组定量研究中有很大优势.本综述主要介绍了这2类无标记定量方法的模型及优缺点,并比较了2类方法的灵敏度和准确度.肽段计数方法在检测蛋白丰度变化时更灵敏,而峰面积强度在评估蛋白比率时更准确.
作 者：薛晓芳 吴松锋 朱云平贺福初 XUE Xiao-Fang WU Song-Feng ZHU Yun-Ping HE Fu-Chu 作者单位：军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京,100850刊 名：中国生物化学与分子生物学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY年，卷(期)：200622(6)分类号：Q5关键词：无标记蛋白定量 质谱数 峰强度
代谢组学 篇7
1 代谢组学概述
代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后, 系统生物学的重要组成领域。Nicholson 1999年, 提出了代谢组学 (metabonomics) 的概念。代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中, 所有代谢组分的集合, 尤其指小分子物质”, 而代谢组学则是一门“在新陈代谢的动态进程中, 系统研究代谢产物的变化规律, 揭示机体生命活动代谢本质”的科学。
与转录组学和蛋白质组学相比, 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上得到放大, 代谢产物可视为基因和蛋白功能的“显示器”, 从而使检测更容易; (2) 代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签的数据库; (3) 代谢物的种类远小于基因和蛋白的种类; (4) 代谢产物在各个生物体系中都是类似的, 且样品方便易得, 故代谢组学研究中采用的技术更通用; (5) 营养代谢中很多代谢物来自食物成分, 食物本身不是单一的简单组分, 而是复杂的混合体系, 其作用对象是更加复杂的代谢体系, 代谢组学技术正是基于复杂系统的研究, 从而避免了常规方法不能很好地评价营养对人体综合影响的缺陷; (6) 很多疾病的治疗靶目标是针对代谢物组的, 而非基因和蛋白 (冉小蓉等, 2007) 。
常规的代谢组 (实际为代谢物组) 分析流程可分为生物分析和数据分析两大部分:生物分析的任务是产生数据, 主要包括生物样品收集、生物反应灭活、预处理、以及运用先进分析技术的代谢物整体性化学分析 (如代谢谱或代谢指纹分析) 等步骤;数据分析的目的是揭示出反映样品内在机理的、整体性差异的关键性生物标记物, 主要包括数据采集、原始数据前处理、以及通过现代化学信息学和生物统计学领域的新方法对获得的多维复杂数据进行降维和信息挖掘 (郭宾和戴仁科, 2007) 。当前, 代谢组学的发展目标还包括通过对生物标记物的功能分析和确认, 最终转化为整体认知和系统解析生化反应机理和生命现象的新的重要手段。
代谢组学研究所涉及的主要技术有核磁共振 (NMR) 、质谱 (MS) 、液质联用 (LC-MS) 和气质联用 (GC-MS) 等技术。最常用也是比较有效的识别方法是主成分分析法 (principal component analysis, PCA) , 它是一种将分散在一组变量上的信息集中到某几个综合指标 (主成分, PC) 上的探索性统计分析方法, 以便利用PC描述数据集内部结构, 实际上也起着数据降维的作用。其他的模式识别技术, 如聚类分析、辨别式功能分析、最小二乘法投影法等在代谢组学研究中亦有其重要的地位。
2 代谢组学在动物营养研究中的应用
代谢组学在20世纪90年代中期发展起来, 刚刚起步就已经迅速广泛地应用到了药物研发, 分子生理病理学, 环境卫生等多个领域。但是在动物营养领域, 代谢组学的应用还处在起步阶段。在不同摄食或营养干预下, 动物机体内这些小分子量的代谢产物的变化是代谢组学在动物营养研究中的主要目标, 这将有助于加深对营养素对动物生理机能影响、动物营养最适添加水平等方面认识。
代谢物组学技术可以用于研究稳态控制以及营养缺乏和营养过剩对这种代谢平衡的干扰 (Nicholson, 1984) 。营养的失衡导致体内正常的代谢平衡失调, 用某些单一的代谢生物标志物往往不能全面的反应这一过程, 而代谢物组学技术的采用则可以实现系统全面的分析以对此过程进行科学描述。某种氨基酸的大量摄取将表现为靶组织中累积高浓度的氨基酸或产生有毒的代谢物, 使正常的的代谢途径发生改变。氨基酸代谢物可以用代谢组学的方法进行定量测定。Noguchi等 (2003) 回顾分析了代谢组学技术在评价氨基酸摄入的适量与安全范围中的应用, 应用基于相关性的分析方法分析某种代谢产物与摄入过量的蛋白质、氨基酸相关, 以此确定适量安全的氨基酸摄入量。Noguchi等 (2006) 进一步研究发现氨基酸代谢谱可以有助于揭示特定生理状态, 揭示迄今最为全面的代谢关系。给大鼠饲以含2.4%蛋氨酸的日粮, 血液中丙氨酸、丁氨酸、硫醚/高半胱氨酸比例明显下降, 表明蛋氨酸代谢时, 自高半胱氨酸向丙氨酸、丁氨酸、硫醚转化时受限。因此, 高半胱氨酸是监测蛋氨酸是否过量的良好指标 (Toue, 2006) 。
Watkins等 (2003) 用定量脂质体代谢轮廓技术对脂质代谢轮廓进行了研究, 考察了胆酸磷脂酰乙醇胺-N-甲基移换酶 (PEMT) 以及食物中不同浓度胆酸对脂质代谢的影响。研究结果表明:与对照组老鼠相比, 补充的胆碱在肝脏恢复, 没有使血浆卵磷脂浓度恢复。补充的胆碱也使血浆甘油三酸酯的浓度恢复到通常水平, 但没有使胆固醇脂的浓度回复到对照组老鼠的水平。无胆碱的PEMT缺乏老鼠血浆中的二十二碳六烯酸和花生四烯酸水平显著降低。这说明补充胆碱可替代PEMT的部分而非全部功能, 也表明PEMT的功能并不仅仅是作为卵磷脂生物合成途径的一个补充, 而是和许多病理过程都相关的, 包括脂质在肝脏和血浆中流动和必需脂肪酸通过肝脏分化脂蛋白在血液和周边组织的传送。
Lamers等人 (2003) 研究了维生素C对骨关节炎的作用。用Hartley豚鼠喂以高、中、低三个不同的剂量的维生素C, 收集尿液进行NMR分析, 数据进行主成分判别分析 (principal component discriminant analysis, PCDA) , 基于各组代谢物浓度的变化, 高、中、低三个组别的老鼠明显的聚为三个独立的簇, 说明不同剂量的维生素C对骨关节炎代谢的影响有所不同。
随着代谢组学技术的成熟, 已能够测定及比较不同条件下代谢物浓度及流出量, 进而深入研究这些小分子物质的作用机制及代谢网络, 从而了解营养素对动物体生理和病理机能的影响, 从而指导实际动物生产和临床营养支持时营养物质的合理供给。
3 展望
代谢组学在动物营养研究中的应用必将拓宽动物营养需要、代谢与支持的研究领域与方法, 促进营养需要、代谢与支持的发展。在短期内代谢组学技术将有助于确定与摄入过多或不足常量营养素有关的代谢物, 帮助确定各种常量营养素的合适摄入量。从长远的观点来看, 代谢组学的研究将能够了解机体在给予过量或缺乏某一种营养物 (如一种氨基酸) 引起整体代谢改变的情况, 综合的个体代谢谱将会替代目前应用一种生物标记物作为疾病的判断指标, 从而为动物疾病的诊疗提供更多的信息。另外也可以在能够考虑到代谢的复杂性的情况下, 依靠科学方法最终建立一种评价动物微量营养素缺乏范围的策略。
参考文献
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代谢组学 篇8
关键词：蛋白组学 食品科学 运用
中图分类号：Q51 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2015）06-0000-00
随着人们生活水平的提升，食品安全问题成为了许多人开始关注的问题，针对食品科学进行的研究成为了近些年来一个比较热议的话题，研究学者发现，通过对食品蛋白组学的有效研究，能够对食品科学领域中存在问题进行分析，并已经取得了一定的成果，本文就针对这项技术在食品科学研究过程中的具体应用进行如下的论述和分析。
1概述
对于蛋白质组来讲，其不同于一般的基因组，属于某一细胞或是生物在一定的病理或者生理状态下所要表达的一种针对所有蛋白质功能、数量和特征进行的系统性研究，可以为具体研究提供较为全面的动力学信息，具有特异性、空间性、动态性和时间性等特点，其本质就是一种在基因组表达基础上所产生的对应蛋白质，可以在生命或者细胞的整体水平之上对生命现象活动规律和本质进行有效的阐述。
2具体技术
2.1应用质谱分析技术
采用这项技术可以对蛋白质的序列进行有效的测定和鉴定，其中，离子化的方法普遍采用的是电喷雾和MALDI这两种软电力方式，这种方法可以保证样品分子在进行电力操作时保证其分子完整性，确保分子不会变成碎片形式的例子，这种图谱分析技术又被称作为肽指纹图谱技术，采用这项技术主要是针对点喷雾电离提出的一种核心技术。采用这一类技术首先需要将胰蛋白酶进行消化，这种蛋白酶本身具有一定的特异性，经过消化作用能够产生大量的多肽，这些多肽经过反向分离和阳离子交换柱的有效分离后能够进行准确地分析。经过分离作用后产生的蛋白质能够借助于芯片上的一些底物和抗体本身具有的亲和力获得多个或单个形式的目标蛋白[1]。这项应用现如今已经普遍应用于一些商业化或者开放性资源的数据库平台上，内容涉及许多蛋白质信息的鉴定，同时还可以应用于一些代谢数据库的研究之中。
2.2双向电泳技术
这项技术主要是应用电泳这种方法将蛋白质从复杂样本中进行有效的分离，具体是根据蛋白质本身分子量和等电点之间的不同以及电荷转移的具体位置绘制成一个特定的蛋白质图谱，在图谱上存在许多个蛋白质点，每一个点都代表着一种特定的蛋白质，采用这种方法可以同时鉴定1万多个不同的蛋白质点，同时采用这种方法还能够有效地对蛋白质的质点染色强度进行定量分析，进而得到经过翻译后的蛋白质修饰信息，同时还能够针对不同程度磷酸化或者单糖化蛋白质亚型进行分离。经过长期的研究，现如今国际上以及成功测定了多组织和多无中的胶图谱，包括：玉米、水稻、水产品、牛、猪和鸡等，其中一部分的图谱已经被应用于一些食品品质的性状标记当中。
3食品科学中的具体研究应用
3.1食品品质改良和加工过程中的研究应用
这方面主要是指一些农作物的产量和品质，对这些方面的影响因素有许多种，通过近些年来相关研究人员对蛋白质组学的研究发现，一些研究成果对于农作物产品产量的提升以及相关性状的合理改良等多个方面都具有十分积极的促进作用。通过国外学者对于栽培型和野生型两种大豆种子蛋白图谱进行的研究发现，这两种作物之间具有非常相似的部分，通过提升大豆作物中的蛋白质硫氨基酸浓度可以显著提升大豆作物的蛋白质[2]。除此之外，在提升农作物产品的产量方面，相关学者采用双向电泳这项技术对小麦的面筋、胚乳进行蛋白组的分析之后发现，小麦生面团可以形成一种可溶性的蛋白，这种蛋白质本身对于面团中产生的气泡具有非常显著的稳定作用，这一研究为提升面食的质量提供了非常重要的理论基础。我国的何中虎教授在针对中国小麦这种品种的品质评价体系进行研究后取得了非常大的进展，尤其是在对蛋白组学的相关方法进行研究之后发现了一种水溶性的蛋白，这种蛋白质本身与面筋的强度有着直接的关系，这一发现对于面条和面包亚基组成的具体要求进行了很好的明确。
3.2方便了食品的鉴伪
近些年来我国爆发了许多食品安全问题，这些问题的出现引起了社会上的极大关注，在这些食品问题中，过敏问题一直是人们着重关注的主要问题，随着现如今人们饮食环境的多样化发展，一些过敏性疾病呈现出越来越严重的发展趋势，海洋过敏作为食品过敏中一个重要的组成部分其引发原因就是因为海鲜中的特殊蛋白质。通过对蛋白组学进行研究，能够对这些海鲜类食品的过敏原进行有效的鉴定，进而有效避免一些过敏问题的出现。除了海鲜过敏之外，研究学者采用电泳和质谱这两项技术连用的形式已经检测出了2500多种的不同蛋白质，并且在水稻的种子中检测出了多种致敏性的蛋白，这为食品过敏情况的监督起到了非常重要的作用。
3.3针对食品贮藏的研究应用
对于畜禽肉和鱼贝类水产品来讲，其细胞组织都是由大量蛋白质共同组成的，对蛋白组学进行分析和研究对于这一类蛋白指之间相互关系的研究具有非常重要的研究价值。研究学者对蛋白质图谱进行研究之后发现，不同的冷冻条件对其并不会产生非常显著的影响，但是冷冻的时间会严重影响蛋白质浓度的变化，这就是导致食品出现变质的主要原因，因此，对蛋白组学进行研究，对于食品的合理贮藏同样具有非常重要的影响意义。
4结语
综上所述，针对蛋白组学进行有效的研究对于食品科学的多项研究都具有十分积极的影响意义，涉及到了食品贮藏、食品鉴伪、食品加工和改良等多个方面，随着人们生活水平的提升，人们越来越重视食品的安全问题，因此，针对蛋白组学进行的研究在今后仍然具有非常广阔的发展前景。
参考文献
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[2]王龑，许文涛，赵维薇 等.组学技术及其在食品科学中应用的研究进展[J].生物技术通报，2011（11）.
收稿日期：2015-02-04
作者简介：蒋奕（1993—），女，汉族，四川璧山人，在读本科，研究方向：食品科学与工程。
代谢组学 篇9
关键词：2型糖尿病,葡萄糖氧化代谢,关键酶,测定,代谢
糖尿病是一种以胰岛素分泌或代谢缺陷, 或者两者同时存在而引起的以慢性高血糖为特征的代谢异常综合征, 发病率逐年上升, 且T2DM的发生率显著高于1 型糖尿病。文献报道[1], T2DM的发生可能与遗传易感、胰岛素抵抗及功能缺陷及血糖调节受损等关系密切, 一旦患病患者需终身服药, 且药物的长期应用导致的肝肾功能损伤不容忽视, 对人体健康造成严重威胁。因此, 对于具备可能引发T2DM的高危因素的人群应做好一级预防, 控制T2DM的发生。但由于目前对糖尿病的发病机制还没有完全阐明, 导致对于糖尿病的防治无法取得突破性进展。本研究通过分析健康人群及T2DM各时期人群的代谢酶和生化代谢谱, 研究是何种生物标志物引起了代谢缺陷, 对T2DM的发病机制进行阐明, 对具备高危因素的人群进行及早的行为干预, 使高危人群减少发病率或不发病, 具体报告如下。
1 资料与方法
1.1一般资料2012年7月~2015年7月的150例入组研究对象, 分为五组:T2DM高危人组29例;T2DM前期即葡萄糖调节受损 (IGR) 组31例;T2DM早期 (无慢性并发症) 组31例;T2DM中后期 (合并慢性并发症) 组29例;对照组 (健康人) 30例。选择符合WHO糖尿病诊断标准[1]。五组受检人员一般资料比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 具有可比性。
1.2方法
1. 2. 1 采集血标本嘱参与研究人员第1 次采血, 于晨起空腹安静状态下进行, 使用带有分离胶的真空采血管, 采集血液2 ml ;第2 次采血, 第1 次采血后嘱参与研究人员将75 g无水葡萄糖溶于300 ml水中口服, 2 h后采集静脉血2 ml。将血标本密封置于深冻冰箱 (-70℃ ) 内保存, 待检。
1. 2. 2 仪器与试剂选择仪器:全自动生化分析仪 ( 日立717OS) , 全自动免疫、生化/ 特定蛋白分析仪 (ADALTIS eclectica) , 自动多功能酶标仪 (KHB ST-360) , 低温冰箱 (-70℃ ) , 超速离心机。 选择试剂:CS试剂盒 ( 产品编号:Catalog No.E1661h) ; ICD试剂盒 ( 产品编号:Catalog No.E1403h) ; α-KGDHC试剂盒 ( 产品编号:Catalog No. E1923h) 。
1. 2. 3 测定采用ELISA法对糖代谢关键酶进行测定, 包括CS、ICD、α-KGDHC, 采用自动多功能酶标仪进行3 次检测;胰岛功能等生化指标测定采用磁微粒分离免疫分析法进行测定[2]。
1. 3 统计学方法将研究所得数据采用SPSS16.0 统计学软件进行统计分析。计量资料以均数 ± 标准差 ( ±s) 表示, 两组间比较采用t检验, 多组间比较应用方差分析;计数资料以率 (%) 表示, 采用 χ2检验。P<0.05 表示差异具有统计学意义。
2 结果
各组血清糖代谢关键酶测定及胰岛功能比较:CS、α-KGDHC各组间比较差异无统计学意义 (P>0.05) 。ICD、胰岛素敏感指数 (ISI-Stumvoll) 、胰岛素抵抗指数 (HOMA-IR) T2DM高危人组、T2DM前期组、T2DM早期组和T2DM中后期组与对照组比较, 差异有统计学意义 (P<0.05 或P<0.01) 。其中ICD活性最低的是T2DM高危人组和T2DM前期组, 且两组差异无统计学意义 (P>0.05) 。ICD活性略有增强的是T2DM早期组和T2DM中后期组。见表1。
注:与对照组比较, aP<0.05, bP<0.01 ;ISI-Stumvoll= 空腹血糖 (FBG) × 空腹胰岛素 (FINS) , HOMA-IR=FINS×FBG/22.5
3 讨论
TCA具有参与蛋白质、糖、脂肪的分解代谢作用, 是人体三磷酸腺苷 (ATP) 产生的主要途径[3]。本研究显示, 在TCA循环中ICD是其关键限速酶, ICD的活性与TCA循环的代谢流量具有一定的相关性。对照组的ICD活性高于T2DM高危人组、T2DM前期组、T2DM早期组和T2DM中后期组 (P<0.05 或P<0.01) , 其中ICD活性最低的是T2DM高危人组及T2DM前期组, 两组比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 显示T2DM高危人组及T2DM前期组人群的ICD活性已经被抑制。ICD活性略有增强的是T2DM早期组及T2DM中后期组, 但均低于对照组 (P<0.05 或P<0.01) 。显示T2DM早期组及T2DM中后期组患者部分酶活性可能恢复, 这与患者开始用药有关。
α-KGDHC不但是TCA的关键酶, 也是产生活性氧家族 (ROS) 的基本位点, 研究显示:神经元的坏死是由于KGDHC酶活性受到抑制而导致的[4]。
从本文研究结果可见, HOMA-IR增高和ISI-Stumvoll逐渐降低的顺序是对照组、T2DM高危人组、T2DM早期组、T2DM前期组、T2DM中后期组, T2DM高危人组与对照组比较差异具有统计学意义 (P<0.05) , T2DM前期组、T2DM早期组、T2DM中后期组与对照组比较差异具有统计学意义 (P<0.01) , T2DM前期组与T2DM早期组比较可见:HOMAIRT2DM前期组较T2DM早期组高, ISI-Stumvoll T2DM前期组较T2DM早期组低, 这一结果说明糖尿病药物的应用促使糖尿病早期的患者恢复了部分胰岛素的敏感性, 因而胰岛功能优于未使用药物的糖尿病前期患者。由此可见, 对具备高危因素的人群进行及早的行为干预, 进而使高危人群减少发病率或不发病。
线粒体功能障碍是糖尿病一个主要诱因[5]。CS、ICD和 α-KGDHC的活性影响的TCA速度的代谢流量是不同的。ICD是TCA循环中的关键限速酶, 它的活性与TCA的代谢流量具有一定的相关性。
参考文献
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代谢组学 篇10
1 奶牛热应激的概念及判定方法
1.1 奶牛热应激的概念
当环境温度高于26℃, 奶牛由于不能维持机体热平衡而产生的一系列不适反应称为热应激[1]。奶牛体内的热源来自环境热辐射和机体代谢热两个方面, 热应激或热负荷实质就是这两种热源的累积。夏季我国大部分地区气候炎热, 8月份气温可高达35~40℃, 远超过奶牛的最适环境温度。加之我国饲养的奶牛品种以荷斯坦奶牛为主, 怕热耐寒, 体型大, 被毛和体组织的保温性能好, 汗腺机能不发达, 不利于皮肤蒸发散热, 更易引起热应激。机体代谢热包括维持、消化、代谢和生产产生的大量热, 1头600 kg日产标准乳40 kg的奶牛每天产热量可以达到日采食总能的31.3%, 仅次于粪能损失 (35.3%) , 其中由生产产生的热量占总产热量的52.9%[2];因此, 同样体重和体表面积, 泌乳牛比干奶牛的热负荷要重得多, 产奶量越高热负荷越重。
1.2 奶牛热应激的判定方法
热、湿等因素可使奶牛的体温升高, 产生热应激, 热应激是亚临床的中暑。如果体温升高到一定程度就会出现中暑的临床表现。奶牛主要通过传导、对流、辐射和蒸发等形式散热, 其中传导、对流和辐射的程度与奶牛和环境的温度差成正比, 当环境温度达到奶牛的临界温度上限时, 传导、对流和辐射效率大大下降, 这时主要靠蒸发来散热, 而影响蒸发散热效率的主要因素是环境的相对湿度。在考察奶牛热应激时必须同时考虑环境温度和湿度的影响, 环境温度和湿度是判断奶牛热应激的重要指标, 它们的互作决定了热应激的最终程度。判断奶牛是否处于热应激状态可以综合牛舍的温湿指数 (THI) , 奶牛的体温、呼吸频率等指标进行判定。THI=Td (干球温度) +0.36 Tw (湿球温度) +41.2。它综合考虑了环境温度和湿度的作用。当THI大于72时, 即牛舍温度达到35℃、相对湿度达到70%以上时, 奶牛采食量开始下降;THI为72~79时, 奶牛快速、浅度呼吸, 大量出汗, 产奶量和干物质采食量减少10%左右;THI为79~89时, 产奶量和干物质采食量减少25%以上, 热应激症状非常明显, 包括口大张, 舌头外吐, 喘气式呼吸;THI为90以上可能导致奶牛死亡, 特别是高产奶牛和分娩的奶牛。
此外, 热应激程度的强弱可通过体温和呼吸频率来判定, 测定10头正常奶牛的体温, 如果有7头奶牛体温超过39.4℃就可以判定奶牛处于热应激状态, 体温超过40.0℃则处于强应激状态。测定10头正常奶牛的呼吸频率, 如果有7头奶牛的呼吸频率高于80次/min表明奶牛已开始处于热应激状态, 超过85次/min则处于强应激状态。
2 热应激对奶牛生产性能的影响
2.1 对奶牛采食量的影响
热应激时, 奶牛自身通过降低干物质采食量达到降低代谢热的目的。研究显示, 奶牛在22~25℃时采食量就开始下降, 30℃时明显下降, 40℃时下降至平时的60%左右[3]。研究表明, 热应激对不同生理阶段奶牛采食量的影响不同, 如当THI超过72时干奶期荷斯坦奶牛采食量开始轻微下降, THI超过76时则显著下降, 热应激奶牛的采食量比对照组降低10%~25%。又如J.B.Holter等[4]发现, 当遭受热应激时妊娠并处于泌乳中后期的荷斯坦经产奶牛和处于相同泌乳阶段的初产奶牛干物质采食量均降低, 其中前者降低的幅度 (降低22%) 高于后者 (降低9%) , 可见不同生理阶段的奶牛对热应激的耐受程度存在明显差异。
现有的研究表明, 热应激时机体甲状腺激素分泌量下降, 皮肤表面血管膨胀、充血。甲状腺分泌有促进消化道蠕动、缩短食糜过肠时间的功能, 而皮肤表面血管膨胀、充血, 导致消化道内血流量不足, 影响了营养物质的吸收速度。因此, 高温时甲状腺激素分泌量下降, 皮肤表面血管膨胀、充血, 加之饮水量急剧增加, 导致胃肠道饮食物充盈, 胃的紧张度升高, 通过胃伸张感受器传到丘脑控制采食中枢, 负反馈调节抑制采食量;另外, 高温刺激可直接通过温度感受器传入丘脑, 反馈抑制采食。
2.2 对奶牛消化率的影响
尽管热应激导致奶牛采食量下降, 但目前关于热应激对奶牛消化率的影响持有两种截然相反的观点, 一种观点认为, 热应激可使奶牛消化率下降;而另一种观点则认为, 热应激促进了奶牛的消化率。前者认为, 严重热应激可造成奶牛消化率下降, 瘤胃微生物对温度和p H值要求严格, 温度在39.0~39.5℃、p H值在6.6~7.0时最活跃, 高于此温度或p H值受到影响必然对瘤胃发酵不利, 造成消化障碍[5]。后者则认为由于热应激奶牛消化道蠕动、瘤胃充盈度、食糜移动速度降低, 肠道的填充时间和食糜的平均滞留时间延长, 使消化率提高;但干物质采食量降低, 使热应激奶牛总养分摄入量减少, 在受热条件下总挥发性脂肪酸浓度下降, 乙酸比例降低。因此, 有关热应激对瘤胃消化率及微生物的影响有待进一步深入研究[6]。
2.3 对奶牛产奶量和乳品质的影响
大量研究表明, 热应激可以导致奶牛产奶量下降, 美国密苏里大学20世纪40年代末到80年代初的大量报道已证实, 高温对母牛产奶量有不良影响。以气温10℃的产乳量为100%, 升到21.1, 26.7, 29.4, 38.0℃时产乳量分别降到89.3%、75.2%、69.6%和26.9%。我国学者对此也进行了大量研究, 发现热应激对处于不同泌乳阶段奶牛的影响不同。妊娠早期时对热应激的适应能力较弱, 影响整个产奶期产奶量, 泌乳前60 d对产奶性能影响最大。这可能是由于产奶早期奶牛处于营养负平衡状态, 需动用体内贮存的能量来满足需要。其机制可能与奶牛代谢机能、酶活性的改变和体内免疫球蛋白合成下降有关。高温引起奶牛代谢机能减弱, 皮质醇分泌减少, 采食量下降, 营养摄入不足, 体内维生素合成减少, 同时呼吸频率增加, 体温升高, 造成电解质及维生素损失, 产奶量下降。另外, 夏季牛体内免疫球蛋白合成下降, 血清中抗坏血酸水平降低, 机体抵抗力减弱, 乳房炎发病率上升, 影响牛泌乳性能的发挥。
除了影响奶牛产奶量外, 热应激可导致乳脂率、乳蛋白率、乳糖率及非脂固体下降。据报道, 高温条件下奶牛乳脂率、乳蛋白率及尿素、乳糖、干物质、非脂干物质 (SMF) 和灰分等含量均有所下降。也有报道认为, 对各种类型的乳牛, 冬天乳蛋白、乳脂、乳中干物质、氨基酸和矿物质含量均高于夏天[7]。奶牛发生热应激时机体免疫功能受到抑制, 易发生感染。检验发现, 热应激可显著降低血清中γ-球蛋白含量, 导致奶牛乳房炎发病率提高, 乳中体细胞数含量增加。
2.4 对奶牛繁殖性能的影响
热应激明显降低了奶牛的繁殖性能。目前普遍认为, 热应激时母牛促肾上腺皮质素大量分泌, 干扰了相关生殖激素的分泌和代谢, 主要表现为孕酮、雌激素、促黄体素和卵泡刺激素水平降低, 导致卵泡发育迟缓、尺寸减小和黄体期延长;因此, 热应激使奶牛的受精率下降, 情期缩短, 发情不明显或乏情, 影响适时配种, 从而降低受胎率。此外, 高温环境可引起临产母牛胎盘血流量增多, 绒毛膜绒毛在腺窝内膨胀, 不易分离, 导致夏季胎衣不下发病率显著增高[8]。
3 热应激造成奶牛机体损伤的机制探讨
3.1 机体的热调控使内脏血流量降低
发生热负荷时, 机体要及时进行热调控, 当机体血液温度上升, 就会把信号传到下丘脑的温度调控中心, 中心传出指令, 表皮血管会舒张, 流向皮肤的血流量大幅度增加, 导致内脏血流量降低。血液温度上升也会使机体大量出汗, 带走热量;但出汗会导致水分、盐大量丢失, 血容量降低, 进一步加重内脏缺血。机体为了弥补内脏严重缺血, 一般通过增加心率和每搏输出量保证内脏血液的供应。因此, 热应激情况下内脏缺血程度与心血管功能有关。奶牛心脏的代偿收缩能力不足, 在持续热应激情况下, 内脏缺血程度比其他动物更为严重。
3.2 内脏缺血、组织过氧化引发肠道损伤
内脏供血不足易导致肠道缺血, 肠道 (特别是薄膜绒毛顶部) 含有丰富的黄嘌呤氧化酶, 正常情况下大部分以D型无活性或活性不高的黄嘌呤脱氢酶形式存在;但当组织处于缺血、缺氧时, 大量黄嘌呤脱氢酶迅速转化为活性高的黄嘌呤氧化酶, 催化组织中因缺氧而不能进一步代谢、分解而积聚的底物次黄嘌呤的氧化反应, 产生大量氧自由基[9], 使肠上皮细胞生物膜中的多不饱和脂肪酸 (PUFA) 过氧化, 细胞膜通透性增加, 大量Ca2+进入细胞内, 激活钙依赖性磷脂酶和蛋白酶, 引起细胞损伤和死亡;氧自由基可进一步使线粒体和溶酶体膜通透性增加, 影响能量代谢或使溶酶体破裂, 释放大量溶酶体酶, 导致细胞损伤或溶解。自由基及其脂质过氧化物还可与蛋白质发生过氧化、交联、聚合等反应, 使蛋白质肽键断裂、结构破坏、生物活性物质 (包括酶) 失活, 导致细胞代谢紊乱、功能丧失。组织病理学检查时可见缺血小肠上皮细胞变性、坏死、脱落, 肠绒毛水肿, 肠上皮细胞间紧密连接分离、增宽和损害。
3.3 肠壁屏障功能降低, 细菌内毒素大量被吸收, 引发炎症级联反应
热应激情况下, 肠黏膜受损, 内毒素大量通过肠道屏障进入肠系膜淋巴结和门静脉系统, 继而进入体循环以及肝、脾、肺等器官[10]。内毒素 (LPS) 进入血液后与LPS结合蛋白结合形成复合物, 然后与其特异受体CD14结合后通过Toll样受体介导一系列细胞内信号转导机制, 使细胞浆内转录因子如NF-k B磷酸化, 由胞浆进人细胞核, 激发相关基因的转录、翻译等过程, 释放出大量的细胞因子 (TNF-a、IL-1、IL-6等) 、黏附分子 (ICAM-1、VCAM-1等) 、血小板激活因子、内皮素-1、前列腺素、氧自由基等刺激因子。细胞因子的大量表达会产生扩大的炎症连锁反应[11]。
3.4 内毒素诱导NO增高, 形成缺血再灌注
持续热应激后, 内毒素和细胞因子水平显著升高, 刺激巨噬细胞、枯否细胞及肝细胞等大量表达诱导型一氧化氮合酶 (i NOS) , 导致门静脉的血中NO异常增高[12], 肠系膜血管扩张, 引起低血压, 同时也使血液从体表流回内脏, 即内脏缺血再灌注的形成。过量的NO还随血液循环到达心脏, 对心肌细胞产生细胞毒性作用, 导致心肌收缩不力, 进一步降低体表循环血量, 体表散热作用减弱;内毒素刺激产热, 中心体温不断升高, 高热对细胞产生直接的毒性作用, 加上内毒素引起的扩大炎症反应和血管内弥漫性凝血, 最终导致多器宫衰竭综合征 (即中暑) 的发生。
4 热应激反应的分子机制
机体对热应激产生的反应称为热休克应答 (heat shock response, HSR) , HSR诱导分子伴侣、蛋白酶和维持细胞内稳态蛋白质的基因编码, 用于抵抗应激产生的损伤。HSR的最大特点是诱导热休克因子 (heat shock factor, HSF) 磷酸化, 产生高度保守的热休克蛋白 (heat shock protein, HSP) [13], HSF1是大多数热休克家族蛋白如HSP70和HSP90的启动子。在正常条件下, HSF1与调控蛋白如HSP70和HSP90在胞液中形成杂合物, 使HSF1处于抑制状态。当机体受到热应激后, HSF1通过非激活单体向三聚体的转变、向核的易位、与热应激原件结合等步骤完成激活, 成为激活热休克基因和靶基因上游的共识序列, 从而激活HSP基因转录, 产生HSP[14], 它是机体受到应激时产生的特异性指标, 其中HSP70是细胞的主要伴侣分子, 指导蛋白质折叠和易位。HSP也参与细胞周期调控、细胞凋亡以及抗氧化防御等过程。研究显示, HSR引发HSF与HSP的改变, 这一过程通过细胞内ROS和Ca2+调控多条信号通路的变化来实现。
多位学者研究发现, 热应激能够产生一类有高度化学反应活性的含氧基团ROS[15], 包括羟自由基、超氧阴离子、单线态氧、过氧化氢及脂质过氧化自由基等。ROS为应激过程中的关键因子, 主要调控丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 、磷脂酰肌醇3激酶 (phosohatidylinositol 3-kinase, PI3K) 、丝苏氨酸蛋白激酶 (serine threonine kinase Akt) 等来完成HSR。Ca2+是细胞内的关键离子, 在正常生理状态下, 细胞有一套完善的体系来维持钙的稳态平衡, 细胞内Ca2+浓度极低 (1×10-7mol/L) , 细胞外Ca2+浓度较高 (1×10-3mol/L) , 当受到热应激时, 细胞膜流动性增加, 热应激改变Na+/Ca2+交换器并激活机械敏感性离子通道, 及瞬时感受器电位 (TRP) 通道, 改变Ca2+平衡, 引起细胞内Ca2+浓度增加。Ca2+可以直接激活钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ (calmodulin-dependent protein kinaseⅡ, Ca MKⅡ) 参与HSF的转录, 也可以通过调控二酰甘油 (diacylglycerol, DAG) 、磷脂酶C (phospholipase C, PLC) 活性及蛋白激酶C (protein kinase C, PKC) 的磷酸化诱导HSF磷酸化, 引起HSR[16]。
5 代谢组学及其整合化策略研究奶牛热应激机制的前景分析
综上所述, 热应激时肠道的损伤导致其通透性增加, 最初是由氧化应激造成的, 但也有研究认为与氧化应激无关, 热应激时热本身的直接作用造成肠道通透性增加, 肠道通透性增加后内毒素大量进入体内诱导自由基的大量产生[17], 从而造成机体损伤。热应激能够引起机体细胞内ROS和Ca2+的产生, 通过激活Ras超家族、MAPK、PI3K/Akt、PKC信号途径完成HSR, 产生HSP。但关于热应激引起的ROS和Ca2+改变, 二者是否存在内在联系还需要进一步验证, ROS对于各信号途径的作用靶点也需要进一步证实, 热应激对于信号途径的激活或抑制还存在一定争论。可见, 仅从体内生理生化指标、炎性因子、热应激蛋白等角度很难完全阐明热应激对奶牛损伤的机制, 必须寻求新的方法和手段来探讨热应激的本质。
代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科, 是系统生物学的重要组成部分。它将生物体作为一个动态的整体去研究内因或外因导致的代谢变化, 通过对生物体液和组织中随时间改变的代谢物进行检测、确定、定量和分类, 将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学事件关联起来, 以监测活细胞中的化学变化。其优势在于蛋白表达的有效微小变化在代谢物上得到放大, 所提供的信息比基因组和蛋白质组分析所提供的信息更有用, 更能揭示基因和表现型之间的关系, 达到监测和推断基因功能的目的[18]。但不足之处在于它仅反映生物体一系列事件的最终结果, 而不关注机体受到各种外界因素影响后遗传物质、蛋白质发生变化的细节及对机体代谢网络的调控, 因此也很难从真正意义上阐明疾病的科学内涵。近年来国内外学者提出了代谢组学的整合化策略, 其核心思路之一是将代谢组学所得的小分子代谢物与体内相关生理生化指标、活性物质、基因和蛋白表达等结合起来构建疾病的相关代谢通路, 阐明疾病发生发展的机制[19]。因此, 尝试采用代谢组学策略进行热应激下小分子代谢物的变化及生物标志物分析, 整合热应激奶牛体内热应激蛋白和炎性介质等相关生物学指标, 构建内毒素所致炎症的相关代谢通路分析, 有望进一步阐明奶牛热应激的损伤机制, 为缓解热应激或相关药物研发提供更为科学化的思路和方法。
摘要：热应激是制约奶牛养殖业发展的重要因素之一, 文章综述了奶牛热应激的判定、对生产性能的影响、热损伤机理和热休克应答的相关信号途径, 并展望了采用代谢组学及其整合化策略研究奶牛热应激损伤机制的前景。