金屬組學(xué)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

金屬組學(xué)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

金屬組學(xué)是2002年以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一門前沿交叉學(xué)科。正處于快速發(fā)展階段。國(guó)際金屬組學(xué)研究發(fā)展迅速，其理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法不斷完善和成熟。其目標(biāo)是系統(tǒng)研究生物體系內(nèi)金屬元素的含量、分布、化學(xué)種態(tài)、結(jié)構(gòu)特征和功能等，也是研究生命體內(nèi)自由或絡(luò)合的全部金屬元素的含量、分布、化學(xué)種態(tài)及其功能的綜合學(xué)科。金屬組學(xué)研究是認(rèn)識(shí)金屬(微量)元素生物功能效應(yīng)、機(jī)制及其與微量元素相關(guān)疾病發(fā)生機(jī)制的基礎(chǔ)，也是金屬藥物設(shè)計(jì)的依據(jù)。金屬組學(xué)研究涉及分析化學(xué)、生物無(wú)機(jī)化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、納米科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科，是一個(gè)整合多學(xué)科交叉思路的研究領(lǐng)域礦物藥是傳統(tǒng)中醫(yī)藥重要組成部分，具有幾千年的應(yīng)用歷史。這些通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐得到源于自然的礦產(chǎn)資源藥物，在中醫(yī)藥理論指導(dǎo)下，通過(guò)內(nèi)服或外用，具有祛腐生肌、消腫解毒、收斂止血、平肝息風(fēng)、安神補(bǔ)益、化痰止咳、收濕止癢、解毒殺蟲(chóng)、散瘀止痛、續(xù)筋接骨等多種藥理作用，在臨床用于治療和預(yù)防多種疾患，涉及內(nèi)、外、婦、兒、五官各科，臨床療效顯著，為人類的健康做出了重要的貢獻(xiàn)金屬組學(xué)為礦物藥研究提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為礦物藥研究的深入開(kāi)辟了新途徑。本文介紹了金屬組學(xué)的概念、學(xué)術(shù)發(fā)展概況、研究?jī)?nèi)容、研究方法等，同時(shí)探討金屬組學(xué)在礦物藥研究中的應(yīng)用領(lǐng)域及前景，以期為礦物藥研究工作者提供參考。金屬原子學(xué)研究學(xué)科的定義金屬組學(xué)是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)之后提出的一種新的組學(xué)方法。2001年WILLIAMSRJP在發(fā)表的綜述論文“細(xì)胞對(duì)元素的化學(xué)選擇”首次引入了“金屬組”(metallome)概念，用以描述生物細(xì)胞和器官中的元素分布和對(duì)金屬的選擇“金屬組學(xué)”是指對(duì)若干涉及金屬相關(guān)生命過(guò)程或環(huán)境過(guò)程分子機(jī)制以及對(duì)細(xì)胞與組織內(nèi)全部金屬離子和金屬配合物進(jìn)行綜合研究的學(xué)科，是系統(tǒng)研究一種細(xì)胞、組織、器官或完整生物體內(nèi)自由或絡(luò)合的全部金屬原子含量、分布、化學(xué)種態(tài)及其功能的綜合學(xué)科。金屬組學(xué)包括定性金屬組學(xué)(qualitativemetallomics)、定量金屬組學(xué)(quantitativemetallomics)、比較金屬組學(xué)(comparativemetallomics)等。細(xì)胞、組織或器官中金屬蛋白、金屬結(jié)合蛋白、金屬酶或其他含有金屬的生物分子(如氨基酸、DNA片斷、四吡咯等大環(huán)鰲合劑、多糖和糖蛋白等)及游離金屬離子的集合則稱之為“金屬組”,即金屬組指一個(gè)生物體系中的所有含金屬的生物分子。也就是說(shuō)，金屬組學(xué)中的金屬元素，不僅包括與蛋白質(zhì)和酶結(jié)合的生物金屬，還包含金屬-核酸、金屬-小分子配體(有機(jī)酸、氮基酸等)、金屬-多糖等、自由離子以及不同價(jià)態(tài)等所有存在形式。金屬組研究特指對(duì)于細(xì)胞、組織或器官中所有的金屬離子組分的研究，例如元素分布、自由金屬離子的平衡濃度或者在某個(gè)細(xì)胞、組織或器官中的自由元素的組成。金屬組學(xué)研究包括對(duì)金屬組的研究以及金屬組與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組的關(guān)系此外，由于金屬組學(xué)的研究對(duì)象還包括非金屬的微量元素，如硒(谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的成分)、砷(有活化鋅的作用)和碘(激活甲狀腺)金屬組學(xué)學(xué)術(shù)發(fā)展自提出金屬組、金屬組學(xué)表述后，2004,2007年英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)刊物《JournalofAnalyticalandAtomicSpectrometry》分別發(fā)行了2期金屬組學(xué)專刊在以中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所柴之芳院士團(tuán)隊(duì)等為代表的科技工作者努力下，我國(guó)金屬組學(xué)研究取得了一定成果，在國(guó)際也產(chǎn)生了積極的影響，金屬組學(xué)研究平臺(tái)也在國(guó)內(nèi)不斷得到重視并逐步完善，舉辦了一系列的學(xué)術(shù)會(huì)議，如2008年舉辦的首屆金屬組學(xué)及金屬蛋白質(zhì)組學(xué)研討會(huì)，2015年9月承辦的“第五屆金屬組學(xué)國(guó)際研討會(huì)”(the5thinternationalsymposiumonmetallomics),2019年1月主辦的金屬組學(xué)研討會(huì)，2020年1月主辦的“2020北京金屬組學(xué)平臺(tái)啟動(dòng)會(huì)暨研討會(huì)(BMF2020)”等，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)金屬組學(xué)研究具有重要的意義。游離金屬元素的生物分子金屬組學(xué)主要是研究細(xì)胞、組織、器官中含有的金屬元素生物分子和游離金屬元素的價(jià)態(tài)、形態(tài)、濃度、時(shí)間和空間分布、生物功能或毒性作用以及與基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組之間的聯(lián)系金屬組反應(yīng)機(jī)制①生物體液、細(xì)胞、器官中元素的分布分析；②生物體系中元素的形態(tài)分析；③金屬組的結(jié)構(gòu)分析；④應(yīng)用模型絡(luò)合物闡釋金屬組反應(yīng)機(jī)制；⑤金屬蛋白質(zhì)和金屬酶的鑒定；⑥生物分子和金屬的代謝研究；⑦基于多元素分析的與微量元素相關(guān)健康和疾病醫(yī)學(xué)診斷；⑧化學(xué)治療中的無(wú)機(jī)(金屬)藥物的設(shè)計(jì)；⑨地球上生命體系的化學(xué)演變；⑩醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、農(nóng)業(yè)、毒物學(xué)、生物地質(zhì)化學(xué)中的其他金屬輔助功能性生物科學(xué)金屬離子的生物調(diào)控及代謝①金屬蛋白質(zhì)及其模擬物的結(jié)構(gòu)-功能分析；②環(huán)境和生物體系中金屬蛋白質(zhì)的分析識(shí)別和生物痕量元素的化學(xué)分析；③金屬離子的生物調(diào)控及代謝；④與痕量金屬元素有關(guān)的疾病醫(yī)學(xué)診斷以及金屬藥物(metallodrug)的醫(yī)療(前)應(yīng)用金屬離子的生物調(diào)控和代謝①金屬蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)-功能分析；②生物體系中金屬蛋白質(zhì)的分析識(shí)別和生物痕量元素的化學(xué)分析；③金屬離子的生物調(diào)控及代謝；④與痕量金屬元素有關(guān)的疾病的醫(yī)學(xué)診斷以及金屬藥物的應(yīng)用金屬組學(xué)研究技術(shù)組學(xué)研究方法的最大特點(diǎn)是高通量分析，金屬組學(xué)的研究方法需能夠同時(shí)檢測(cè)多種金屬組，如金屬元素的含量、分布、化學(xué)種態(tài)及其相互作用等。金屬組學(xué)的研究技術(shù)涉及生物體外、體內(nèi)的金屬化學(xué)種態(tài)分析以及對(duì)生物體內(nèi)金屬的定位、定性和定量分析等。現(xiàn)代分析技術(shù)具有靈敏度高、準(zhǔn)確度和精確度好以及本底效應(yīng)低和非破壞性等特點(diǎn)，為金屬組學(xué)研究提供了重要的硬件支撐，其中先進(jìn)的核分析技術(shù)因其在元素分析方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如對(duì)樣品前處理簡(jiǎn)單，原位無(wú)損分析等，越來(lái)越多地被應(yīng)用于生命、環(huán)境過(guò)程中的金屬歸趨研究金屬化合物研究中的應(yīng)用我國(guó)對(duì)礦物藥的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用可追朔到遠(yuǎn)古時(shí)代，是世界上最早使用自然界的礦石作為藥物進(jìn)行防病治病的國(guó)家之一無(wú)機(jī)元素特征譜分析與植物藥、動(dòng)物藥不同，礦物藥主要是由無(wú)機(jī)化合物組成。礦物藥材是在自然地質(zhì)作用中形成，多數(shù)是一種或幾種礦物的集合體或聚集體。原礦物藥成分不純凈、不均一，甚至有較大變化。主要是因?yàn)椋阂环矫婕词故峭瑫r(shí)形成的嵌生礦物，但是由不同礦物成因而產(chǎn)生的同一味礦物藥，之間也不盡相同。另一方面礦物在形成之后，經(jīng)歷不同的地質(zhì)作用，原礦物成分、甚至嵌生的礦物成分變化也不同對(duì)礦物藥所含無(wú)機(jī)元素(主要為金屬元素)的測(cè)定是礦物藥研究的最基礎(chǔ)工作之一，也是對(duì)礦物藥進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的必備工作。通過(guò)無(wú)機(jī)元素測(cè)定，可建立礦物藥無(wú)機(jī)元素特征譜，作為鑒定藥用礦物及控制市場(chǎng)藥用礦物質(zhì)量的方法之一。通過(guò)礦物藥所含主元素含量、重金屬及有害元素(含不同價(jià)態(tài))的分析，可用于不同產(chǎn)地、不同礦物成因形成的同一礦物藥優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的篩選，確保臨床用礦物藥資源的安全有效及質(zhì)量穩(wěn)定可控關(guān)于礦物和藥基因素的研究不同于植物藥、動(dòng)物藥效應(yīng)物質(zhì)基礎(chǔ)有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，礦物藥中的金屬元素及其賦存狀態(tài)是其藥性、毒性和臨床效用的物質(zhì)基礎(chǔ)金屬離子檢測(cè)金屬內(nèi)部分分子的作用金屬元素在生物體系的生理過(guò)程中具有十分重要的作用，這些金屬元素在生物體系內(nèi)的濃度需得到精確的控制，大部分金屬元素是通過(guò)與各種蛋白結(jié)合而發(fā)揮生物效應(yīng)金屬元素與蛋白質(zhì)之間的相互作用在很大程度上決定了許多蛋白質(zhì)的功能以及金屬藥物的藥效。金屬離子結(jié)合到蛋白質(zhì)分子的正確位置上依賴于一系列的調(diào)控過(guò)程，包括金屬伴侶蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和協(xié)助。金屬組學(xué)的一個(gè)重要目的是識(shí)別金屬蛋白質(zhì)(金屬酶、金屬輸運(yùn)蛋白質(zhì)和金屬應(yīng)激蛋白質(zhì)),特別是蛋白質(zhì)的金屬結(jié)合位點(diǎn)，證實(shí)生物體系中存在金屬蛋白質(zhì)以及金屬/蛋白質(zhì)結(jié)合比例此外，ZHAOT等礦物藥中金屬元素的結(jié)構(gòu)、功能及代謝本文對(duì)金屬組學(xué)的研究概況進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)其在礦物藥研究中的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討，金屬組學(xué)是研究礦物藥的理想工具之一。礦物藥中金屬元素(含類金屬元素)對(duì)疾病的干預(yù)作用及其效應(yīng)靶點(diǎn)研究，闡明生物體系中與金屬離子結(jié)合的生物分子的生理作用和功能，解釋金屬元素的生物學(xué)功能及其機(jī)制，需厘清研究金屬元素在生物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存和金屬蛋白的表達(dá)以及表達(dá)后的修飾、金屬離子或金屬簇的插入等細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。因而，首先需研究金屬和類金屬元素在環(huán)境系統(tǒng)、生物組織、細(xì)胞中的分布及其形態(tài)(價(jià)態(tài)),與基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組之間的關(guān)系，并且從分子層面出發(fā)對(duì)生物大分子配體，特別是金屬蛋白、金屬酶等進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能和代謝的分析，以揭示礦物藥中金屬元素干預(yù)相關(guān)疾病、參與生命活動(dòng)的過(guò)程和機(jī)制深入開(kāi)展礦物藥研究涉及學(xué)科復(fù)雜、研究難度大，對(duì)中醫(yī)藥科研工作者來(lái)說(shuō)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。礦物藥研究也一直是中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)藥研究中的一個(gè)難點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在其治病功效物質(zhì)基礎(chǔ)及