脂質(zhì)的生物學(xué)功能

脂質(zhì)的生物學(xué)功能

20世紀(jì)90年代末，代謝組學(xué)開始發(fā)展為基因組學(xué)、可接近組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)。由于代謝的多樣性和復(fù)雜性，很難使用一種方法來清楚所有代謝的同時(shí)檢測(cè)。因此，研究人員使用代謝的特異性對(duì)其進(jìn)行分類研究，形成了各種代謝組學(xué)分支，如脂質(zhì)代謝組學(xué)、糖代謝組學(xué)和養(yǎng)分代謝組學(xué)。脂質(zhì)代謝組學(xué)(lipidomics)作為最重要的代謝組學(xué)分支,是最近幾年研究的熱點(diǎn)。新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)展,為研究生物體脂質(zhì)代謝提供了良好的技術(shù)支持。2003年7月,華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)部的Han等正式提出了脂質(zhì)代謝組學(xué)的概念——從系統(tǒng)水平上研究生物體內(nèi)的脂質(zhì),揭示其相互作用及與其他生物分子的作用,從而興起了一門研究脂質(zhì)代謝調(diào)控在各種生命現(xiàn)象中作用機(jī)制的新學(xué)科。隨后VanMeer教授和新加坡國(guó)立大學(xué)的Wenk又分別在EMBOJournal和NatureReviewsDrugDiscovery上詳細(xì)闡述了脂質(zhì)代謝組學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題和未來方向。生物體內(nèi)重要的生命活動(dòng)都離不開脂質(zhì),如物質(zhì)運(yùn)輸、能量代謝、信息傳遞及代謝調(diào)控等。脂質(zhì)具有多種重要的生物學(xué)功能,脂質(zhì)代謝異?？梢l(fā)諸多人類疾病,包括阿茲海默癥、糖尿病、肥胖癥、動(dòng)脈粥樣硬化等。本文就脂質(zhì)的代謝與分類、脂類代謝組學(xué)的概念、研究方法和研究進(jìn)展進(jìn)行了概述,以期引起人們對(duì)脂質(zhì)代謝組學(xué)研究的關(guān)注。1脂質(zhì)的分類與代謝1.1acylus、甘油類、糖類、多聚乙烯類脂質(zhì)是生物體內(nèi)重要的一大類化合物,它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有很大的差別,但是卻有著共同的特點(diǎn),即:不溶于水,而溶于乙醚、氯仿和丙酮等非極性有機(jī)溶劑中。最近,有人采用新的分類方法將脂質(zhì)大體分為8大類,即:脂肪酸類(fattyacyls)、甘油脂類(glycerolipids)、甘油磷脂類(glycerophospholipids)、鞘脂類(sphingolipids)、固醇脂類sterollipids)、孕烯醇酮脂類(prenolipids)、糖脂類(saccharolipids)、多聚乙烯類(polyketides)。采用這種分類,可以將大類分成不同的亞類和亞亞類,適合于區(qū)分新發(fā)現(xiàn)的脂肪種類,每種脂肪酸有自己的“脂質(zhì)身份證(lipidID)”,它由12個(gè)數(shù)字組成,包括數(shù)據(jù)庫(kù)來源(2個(gè)數(shù)字)、分類號(hào)(2個(gè)數(shù)字)、亞類號(hào)(2個(gè)數(shù)字)、亞亞類號(hào)(2個(gè)數(shù)字)以及唯一的識(shí)別碼(4個(gè)數(shù)字)。根據(jù)這種命名方式,可以分別為168萬(wàn)種不同的脂質(zhì)進(jìn)行身份確認(rèn)。1.2脂肪酸水解小分子脂質(zhì)代謝是指生物體內(nèi)攝入的大部分脂肪經(jīng)膽汁乳化成小顆粒,胰腺和小腸內(nèi)分泌的脂肪酶將脂肪里的脂肪酸水解成游離脂肪酸和甘油單酯(少量完全水解成甘油和脂肪酸)。水解后的小分子,如甘油、短鏈和中鏈脂肪酸,被小腸吸收進(jìn)入血液。甘油單酯和長(zhǎng)鏈脂肪酸被吸收后,先在小腸細(xì)胞中重新合成甘油三酯,并和磷脂、膽固醇和蛋白質(zhì)形成乳糜微粒(chylomicron),由淋巴系統(tǒng)進(jìn)入血液循環(huán)。2脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究進(jìn)展各種組學(xué)(omics)的迅速發(fā)展推動(dòng)了以研究包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在內(nèi)的系統(tǒng)生物學(xué)的產(chǎn)生。不同組學(xué)間的關(guān)系如圖1所示。代謝組學(xué)作為繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來的系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)新的分支,它研究生物體系(細(xì)胞、組織或生物體)受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變化的科學(xué),研究對(duì)象主要是相對(duì)分子質(zhì)量1000以下的內(nèi)源性小分子。由于代謝物的多樣性及復(fù)雜性,很難用1種方法就將所有的代謝物1次檢測(cè)清楚,所以根據(jù)代謝物的特異性對(duì)它們進(jìn)行分類研究,從而形成了一系列代謝組學(xué)的分支,如脂質(zhì)代謝組學(xué)、糖類代謝組學(xué)、毒素代謝組學(xué)等。脂質(zhì)代謝組學(xué)能與基因組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)相互結(jié)合相互補(bǔ)充,對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行不同層次的分析,加深對(duì)生命本質(zhì)的了解。Han等首次提出了脂質(zhì)代謝組學(xué)的概念,脂質(zhì)代謝組學(xué)是研究生物體內(nèi)所有脂質(zhì)分子的特性,以及它們?cè)诘鞍踪|(zhì)表達(dá)和基因調(diào)控過程中的作用的學(xué)科。此后,脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究逐漸得到了國(guó)內(nèi)外科研工作者的重視。國(guó)內(nèi)外先后成立了脂質(zhì)組學(xué)研究機(jī)構(gòu)并設(shè)立研究項(xiàng)目。國(guó)際上已有多個(gè)組織或研究機(jī)構(gòu)在聯(lián)合開展脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究工作。而且研究的策略更加注重于聯(lián)合型的規(guī)模性研究,更加體現(xiàn)出資源共享性和策略綜合性。如美國(guó)于2003年設(shè)立“脂質(zhì)代謝物和代謝途徑研究策略(lipidmetabolitesandpathwaysstrategy,LIPIDMAPS)”聯(lián)合項(xiàng)目等。在國(guó)內(nèi),中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)等單位也正在開展脂質(zhì)代謝組學(xué)方面的研究。自2003年提出到現(xiàn)在,脂質(zhì)代謝組學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)了許多研究分支,如:研究細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞脂質(zhì)代謝組學(xué)(cellularlipidomics)、以計(jì)算機(jī)輔助分析的計(jì)算機(jī)脂質(zhì)代謝組學(xué)(computationallipidomics)、研究脂質(zhì)氧化的氧化脂質(zhì)代謝組學(xué)(oxidativelipidomics)、研究脂質(zhì)中的類二十烷酸的類二十烷酸脂質(zhì)代謝組學(xué)(eicosa-nomics)、研究脂質(zhì)手性目標(biāo)的手性脂質(zhì)代謝組學(xué)(targetedchirallipidomics)、研究由多不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變成脂質(zhì)調(diào)節(jié)介質(zhì)的調(diào)節(jié)介質(zhì)脂質(zhì)代謝組學(xué)(mediatorlipidomics)、研究特定脂質(zhì)之間以及脂質(zhì)和蛋白質(zhì)之間相互作用的功能脂質(zhì)代謝組學(xué)(functionallipidomics)以及神經(jīng)脂質(zhì)代謝組學(xué)(neurolipidomics)等。在脂質(zhì)研究受到重視的同時(shí),脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究方法和研究技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展,如薄層色譜法、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法、電噴霧電離質(zhì)譜法、基質(zhì)輔助激光解吸附電離飛行時(shí)間質(zhì)譜法和核磁共振法、鳥槍法等都被運(yùn)用于脂質(zhì)的識(shí)別鑒定、量化、結(jié)構(gòu)鑒定和功能來研究脂質(zhì)代謝組學(xué)。目前,脂質(zhì)代謝組學(xué)在分析鑒定脂質(zhì)及其代謝物、研究脂質(zhì)功能與代謝調(diào)控以及繪制脂質(zhì)代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)等三大基礎(chǔ)研究取得快速進(jìn)展的同時(shí),脂質(zhì)代謝組學(xué)在脂質(zhì)代謝疾病的預(yù)防、控制及診斷、脂質(zhì)生物標(biāo)志物、藥物靶點(diǎn)的鑒定以及藥物的研發(fā)等方面都取得了重要的進(jìn)展。3脂質(zhì)代謝組學(xué)近年來,隨著大量先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展以及研究方法的改進(jìn),并且不斷地將其引用到脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究中,推動(dòng)了脂質(zhì)代謝組學(xué)的快速發(fā)展。脂質(zhì)代謝組學(xué)的研究主要包括脂質(zhì)的提取、脂質(zhì)的分離、脂質(zhì)的分析檢測(cè)和相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù),其試驗(yàn)的策略見圖2。其中核心技術(shù)就是電噴霧電離質(zhì)譜(ESI/MS)技術(shù)。聯(lián)合其他色譜等技術(shù)使脂質(zhì)的分析實(shí)現(xiàn)了高通量,高效率,高靈敏度。3.1固相萃取法脂質(zhì)存在于細(xì)胞、細(xì)胞器和細(xì)胞外的體液如血漿、膽汁、乳、腸液、尿液中。若要研究某一特定部位的脂質(zhì),首先要將這部分組織或細(xì)胞分離出來。由于脂質(zhì)不溶于水,通常采用有機(jī)溶劑進(jìn)行提取。傳統(tǒng)的提取劑是氯仿、甲醇和水(1.0∶2.0∶0.8)的混合液。這種比例的混合液是混溶的,形成1個(gè)相。所需的樣品在這種混合液中提取所有脂質(zhì),向提取液中加入過量的水使之分成2個(gè)相,上面是甲醇和水,下面是氯仿。脂質(zhì)就留在氯仿相,蒸發(fā)濃縮后,取之干燥就得所需脂質(zhì)。這種脂質(zhì)提取方法,能夠提出組織樣品中的總脂。也有人采用甲基叔丁酰乙醚(methyl-tert-butylether,MTBE)提取樣品中的脂質(zhì)。這種方法降低了脂質(zhì)的損失率,操作簡(jiǎn)便,而且提取效果較好。對(duì)于只檢測(cè)總脂中的部分脂質(zhì),固相萃取(SPE)是一種較好的方法。固相萃取也稱作液-固萃取,是在液相色譜理論基礎(chǔ)上建立的分離純化方法,利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附,與樣品的基體和干擾物分離,然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附,達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的。它可分為正相、反相、離子交換和吸附。使用最多的固相萃取介質(zhì)是C18固相萃取小柱,另外還有氰基鍵合相柱(CN)以及離子交換柱和吸附樹脂柱。固相萃取技術(shù)設(shè)備要求低,操作簡(jiǎn)單,能快速分離組分復(fù)雜及含量低的樣品,能將分離和濃縮合為一步,靈敏度高,檢出限低,分析時(shí)間大大減少,是目前樣品前處理最簡(jiǎn)捷、高效、靈活的一種手段。譚力等采用硅膠基質(zhì)為固定相,分離檢測(cè)血清總磷脂中脂肪酸含量,用固相萃取柱分離磷脂簡(jiǎn)單、快速、有效,回收率高,重復(fù)性好。3.2色譜色譜柱的選擇被提取的脂質(zhì)混合物可以采用吸附色譜方法進(jìn)行分級(jí)分離。利用待分離組分在固定相間的吸附,分配系數(shù)的不同,離子交換平衡值的區(qū)別來進(jìn)行分離。常用的是硅膠柱吸附層析,硅膠價(jià)格低廉,分離重復(fù)性好,可以再生。它可以把脂質(zhì)分成非極性、極性和荷電的多個(gè)組分,然后分別收集各個(gè)組分,再在不同的系統(tǒng)中層析,可以分離單個(gè)脂質(zhì)組分。如磷脂可分離成鞘磷脂、磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等。還可以使用氧化鋁和離子交換樹脂作為吸附劑,但目前研究較少,有待開發(fā)?？傊?吸附色譜方法設(shè)備要求低,操作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低,能夠用于大規(guī)模生產(chǎn),也成為了研究的熱點(diǎn)。缺點(diǎn)是操作過程中采用有機(jī)溶劑進(jìn)行洗脫,回收困難,環(huán)境污染嚴(yán)重。隨著分離分析設(shè)備的發(fā)展,近年來多采用液相層析與質(zhì)譜聯(lián)用的方法在1次試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)脂質(zhì)的分離和鑒定。3.3脂質(zhì)分析技術(shù)隨著分析技術(shù)的發(fā)展,脂質(zhì)的分析方法也得到了巨大的改進(jìn)?？偟膩碚f,大多數(shù)的分析技術(shù)都可以用來分析脂質(zhì),包括:脂肪酸類、甘油脂類、鞘脂類、固醇脂類等。目前應(yīng)用于脂質(zhì)的分析鑒定的主要方法如下。3.3.1tlc分離脂質(zhì)法TLC法也叫紙色譜法,是最早應(yīng)用于脂質(zhì)分析的方法。它具有直觀,方便快捷的優(yōu)點(diǎn),操作簡(jiǎn)單,能夠快速分離脂質(zhì),而且成本較低。但是TLC法也有它的缺點(diǎn),樣品前處理繁瑣,所需的樣品量大,靈敏度和分辨率低,很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。顯色反應(yīng)也易受雜質(zhì)的影響,而且TLC板上的斑點(diǎn)在切除過程中極易發(fā)生氧化,導(dǎo)致脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)受到破壞。因此,在脂質(zhì)代謝組學(xué)中它常作為補(bǔ)充及輔助的方法。3.3.2流動(dòng)相的選擇常用于脂質(zhì)分析的有高效液相色譜芯片質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC/Chip/MS)法、超高液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(UPLC/MS)法以及液相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用(LC/TOF/MS)法。選擇合適的流動(dòng)相,能使樣品不受雜質(zhì)干擾而得到較好的分離。Minkler等采用改良的高效液相色譜-氣質(zhì)聯(lián)用方法即反相離子對(duì)高效液相色譜-氣質(zhì)聯(lián)用法,分析和闡明了不同動(dòng)物(牛、大鼠、小鼠、狗)心磷脂分子的種類和特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同動(dòng)物的心磷脂中的2個(gè)分子量相同,但色譜保留時(shí)間不同,其脂肪酸的組成存在差異[分別由2個(gè)(C18∶2)、2個(gè)(C18∶1)、3個(gè)(C18∶2)、1個(gè)(C18∶0)所組成。3.3.3譜前鑒定的特點(diǎn)分析對(duì)象是氣體和可揮發(fā)物質(zhì)。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用既具有氣相色譜高分離效能,又具有質(zhì)譜準(zhǔn)確鑒定化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可同時(shí)達(dá)到定性定量的檢測(cè)目的。還具有準(zhǔn)確、靈敏度高,而且單次可測(cè)定多種成分等優(yōu)點(diǎn)。盡管色譜法靈敏且準(zhǔn)確,但需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理,成本較高,而且所需儀器設(shè)備昂貴而笨重,需要專業(yè)人員維護(hù),目前在國(guó)內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用。3.3.4esi/ms技術(shù)軟電離質(zhì)譜技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的質(zhì)譜技術(shù),包括基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI/TOF/MS)和ESI/MS,基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI/TOF/MS)技術(shù)首先用脈沖激光將基質(zhì)分子電離,同時(shí)將目的樣品分子氣化,在氣相中基質(zhì)分子將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到樣品分子上,使脂質(zhì)分子帶有1個(gè)電荷,在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下加速獲得動(dòng)能,然后精確測(cè)定不同脂質(zhì)到達(dá)TOF質(zhì)量分析器的時(shí)間,從而進(jìn)行質(zhì)譜分析。ESI/MS技術(shù)是樣品分子離子化時(shí),可以保留整個(gè)分子的完整性,不會(huì)產(chǎn)生碎片離子,在目的樣品離子化過程中,使樣品溶液形成了帶電的霧滴,再被加熱到使溶劑蒸發(fā),脂質(zhì)分子形成氣相的離子進(jìn)行質(zhì)譜分析,是目前應(yīng)用最多的軟電離質(zhì)譜技術(shù)。由于這些電離方式對(duì)樣品的破壞性小,所需樣品少,分子量測(cè)定準(zhǔn)確,質(zhì)量測(cè)定范圍大,對(duì)純度不高的樣品也能分析,而且很適合分析成分復(fù)雜的樣品。3.3.5質(zhì)譜分析法目前還有不少新技術(shù)被應(yīng)用到脂質(zhì)代謝組學(xué)中,如核磁共振(NMR)法、組織切片直接分析法、鳥槍法、納米次級(jí)離子質(zhì)譜(nanoSIMS)法以及熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)等。3.4數(shù)據(jù)庫(kù)lipodbs隨著脂質(zhì)代謝組學(xué)的迅速發(fā)展,脂質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)也逐步建立。這些數(shù)據(jù)庫(kù)提供了大部分脂質(zhì)的有關(guān)信息,包括脂質(zhì)命名、脂質(zhì)分類、脂質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)譜信息、試驗(yàn)信息等。功能也越來越完善,這些數(shù)據(jù)庫(kù)的建立推動(dòng)脂質(zhì)代謝組學(xué)自身的發(fā)展。其中最大的數(shù)據(jù)庫(kù)LipidMaps,是2003年由美國(guó)國(guó)立綜合醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)(NationalInstituteofGeneralmedicalSciences,NIGMS)啟動(dòng)的“脂質(zhì)代謝物和代謝途徑研究策略”項(xiàng)目的研究成果,可以鑒定168萬(wàn)種脂類,除了包含了8000余種單一脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息外,可以提供大量脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息,還包括了81個(gè)大類、276個(gè)亞類脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。其他還有一些數(shù)據(jù)庫(kù)如CyberlipidCenter、CyberLipids、GOLD、HumanMetabolome、KEGG、LipidBank、LipidLibrary、LipidMonsterDB、LMSAD、SOFA、SphinGOMAP等。4飼糧中氨基酸的代謝組學(xué)和生物組學(xué)目前,脂質(zhì)代謝組學(xué)分析系統(tǒng)的軟件、硬件技術(shù)都在進(jìn)一步提高,正向著高通量、整合化、自動(dòng)化的方向發(fā)展,使我們能快速地對(duì)脂質(zhì)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和可視化分析。近年來有很多應(yīng)用脂質(zhì)代謝組學(xué)技術(shù)的研究成果。Tan等利用靶向脂質(zhì)代謝組學(xué)技術(shù),從牛大腦中分離得到了50種新的內(nèi)源性?；被?這些氨基酸有激活G-蛋白耦聯(lián)受體(如N-arachidonoylglycine,N-arachidonoylserine)、和激活瞬時(shí)受體電位通道(如N-arachidonoyldopamine,N-acyltaurines)等功效,這對(duì)于揭示某些小分子氨基酸在信號(hào)傳導(dǎo)方面的重要功效具有很好的作用。Wood等采用脂質(zhì)代謝組學(xué)技術(shù),分析了飼糧中添加二十二碳六烯酸(DHA)對(duì)血液和大腦中內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)代謝產(chǎn)物改變的影響,結(jié)果表明,飼糧DHA具有影響N-?；掖及返暮铣珊透视王ゴx產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為DHA和二十碳五烯酸(EPA)的作用,為DHA在機(jī)體中的沉積和作用機(jī)理提供了合理的解釋。而Ivanova等采用質(zhì)譜脂質(zhì)代謝組學(xué)技術(shù)在巨噬細(xì)胞中分離得到了多種少見或此前沒有對(duì)其特性進(jìn)行闡明的磷酯,包括帶有醚鍵的磷酸肌醇(PIs)、磷脂酸、磷酸絲氨酸(PSs)、長(zhǎng)鏈磷酸乙醇胺(PEs)、磷酸膽堿(PCs)及磷酸蘇氨酸(PTs);另外還發(fā)現(xiàn)許多至少含1個(gè)奇數(shù)碳原子的磷脂。Velagapudi等采用脂質(zhì)代謝組學(xué)技術(shù),分析了消化道中微生物菌群可對(duì)小鼠血清代謝組、血清和脂肪組織脂質(zhì)代謝組的影響,結(jié)果表明,能