脂質組學介紹（轉）轉

 

1.    什麼是脂質組學？

    脂質組學是對生物體、組織或細胞中的脂質以及與其相互作用的分子進行全面系統的分析、鑑定，了解脂質的結構和功能，進而揭示脂質代謝與細胞、 乃至機體的生理、病理過程之間的關係的一門學科．      

    脂質組學的英文是 lipidomics。

    脂質組學研究類似于其他“組學”，是利用規模性的技術方法，通過對生命體、組織或細胞等的脂質組(lipidome)以及與其相互作用的分子進行系統研究，揭示生命體的多樣性脂質及其代謝調控與生物功能，進而深入探索其與細胞、 、生命體的生理、病理等過程之間的關係．

2.    什麼是脂質？

    脂質是自然界中存在的一大類極易溶解于有機溶劑、在化學成分及結構上非均一的化合物，主要包括脂肪酸及其天然發生的衍生物(如酯或胺)，以及與其生物合成和功能相關的化合物．研究表明，哺乳動物細胞含有1 000～2 000種脂質，而且隨着新技術、新方法的不斷髮展，各種新的脂質分子還在不斷地被髮現．

3.    脂質分為几類？

    美國國立衛生研究院(NIH)2003 年所資助的“脂質代謝途徑研究計劃”(Lipidmetabolites and pathways strategy，LIPID MAPS) (www.lipidmaps.org

)項目提出的脂質分類系統(The LIPID MAPSLipid Classification System)

，將脂質大體分為八大類：

（1）脂肪酸類(fatty acids)；

（2）甘油脂類(glycerolipids);

（3）甘油磷脂類(glycerophospholipids);

（4）鞘脂類(sphingolipids)；

（5）固醇脂類(sterol lipids);

（6）孕烯醇酮脂類(prenol lipids)；

（7）糖脂類(saccharolipids);

（8）多聚乙烯類(polyketides)．

4.    脂質的主要功能有哪些？

    脂質結構的多樣性賦予了脂質多種重要的生物功能．脂質不僅參與調節多種生命活動過程，包括能量轉換、物質運輸、信息識別與傳遞、細胞發育和分化，以及細胞凋亡，而且脂質的異常代謝還與某些疾病，如動脈硬化症、糖尿病、肥胖症、阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)以及腫瘤發生發展密切相關．

5.    什麼時候提出脂質組學？脂質組學的 篇文獻是？

    隨着20 世紀基因組學、蛋白質組學、代謝組學等規模性、整體性、系統性“組學”概念的興起，2003 年國際上正式提出了脂質組學這一新的前沿研究領域．

    篇文獻是：Han X L, Gross RW. Global analyses of cellular lipidomes directly from crude extracts ofbiological samples by ESI mass spectrometry: a bridge to lipidomics. J Lipid Res, 2003, 44(6):1071-1079。

      Xianlin Han,andRichard W. GrossDivision ofBioorganic Chemistry and Molecular Pharmacology, Departments of Medicine,Pharmacology & Molecular Biology,and Chemistry, Washington UniversitySchool of Medicine, St. Louis, MO 63110      

    作者和通訊作者是華人學者韓賢林（Xianlin Han）。

6.    脂質組學的研究為什麼落後于基因組學，甚至是蛋白質學的研究？

   主要的原因是由於脂質分子結構的多樣性、複雜性，以及相應分析手段的滯后阻礙了人們對生命體的整體脂質及其複雜的代謝網絡和功能調控進行規模性、整體性的系統研究．當然，對脂質的生物學功能重視不夠也是原因之一．  

7.    目前脂質組學研究的主要內容有哪些？

    脂質組學研究的內容主要包括：

（1）       脂質及其代謝物分析鑑定：主要是通過改進脂質樣品制備方法和發展新的分析鑑定技術，特別是注重脂質樣品制備技術與 儀器設備如各種質譜儀的聯合應用，實現脂質及其代謝物的快速、高通量的分析、鑑定．通過計算工具和生物信息學手段，建立大型的標準化脂質數據庫，為進一步的深入研究與應用提供重要平台．

（2）       脂質功能與代謝調控(包括關鍵基因/蛋白質/酶) ：主要是利用脂質組學技術，並結合基因組學、蛋白質組學等技術進行脂質功能與代謝調控研究並形成系統．大部分脂質功能與代謝調控的研究通常是在細胞水平或結合整體動物進行，通過基礎的細胞、動物模型研究不同情況下脂質及其功能與代謝調控相關的關鍵蛋白質復合物的組成和動態變化規律，以及脂質功能與代謝調控相關關鍵蛋白質的功能調控和重要信號轉導途徑．結合臨床疾病進行脂質功能與代謝調控研究也是脂質功能與代謝調控方面研究的核心目標之一，有助于闡明脂質的功能與代謝調控及其相關關鍵蛋白質在重大疾病發生發展中的作用．

（3）       脂質代謝途徑及網絡：是在脂質及其代謝物分析鑑定和脂質功能與代謝調控方面工作積累的基礎上，整合基因組學、蛋白質組學、代謝組學的研究結果，嘗試建立不同條件下脂質的代謝途徑，從而不斷完善生命體複雜脂質代謝途徑及網絡研究的繪製．

8.    脂質組學的研究目標是什麼？

（1）       確定生命體、組織、細胞或亞細胞器中所有脂質的種類及其化學結構；

（2）       全面理解脂質的功能及其代謝的動態變化和調控；

（3）       脂質與其他生物大分子(如脂質- 蛋白質相互作用)、基因表達調控、膜性結構組成，以及細胞信號轉導、細胞之間、細胞與病原體、細胞乃至生命體與環境變化等的複雜關係，進而揭示生命體或細胞的脂質組代謝調控異常變化與許多重要疾病(如膽固醇、甘油三酯與心血管疾病、肥胖、脂肪肝、糖尿病及腫瘤等)的發生、發展之間的關係．

9.    脂質組學的國外研究中心有哪些？

（1）美國NIH資助的LIPIDMAPS

（2）歐盟資助的LipidomicNet，包括早期的ELIfe(The European Lipidomics Initiative)(http://www.lipidomics.net

)

（3）日本政府資助的Lipid Bank(http://www.lipidbank.jp

)

（4）華盛頓大學醫學院的ORY研究小組

（5）堪薩斯州立大學成立的脂質組學研究中心

（6）格拉茨大學、奧地利科學院及格拉茨技術大學等研究機構共同成立的格拉茨脂質組學研究中心(LipidomicsResearch Center Graz，LRCGraz)

（7）新加坡國立大學Markus R Wenk教授的Lipid Profile課題組（脂質組學研究中心）

10.   脂質組學的國內研究單位和人員有哪些？      

中科院大連化物所       

中科院遺傳發育所       

軍事醫學科學院

北京大學

清華大學

中國農業科學院

11.   脂質組學的研究方法

    脂質組學研究的技術主要包括脂質的提取、分離、分析鑑定以及相應的生物信息學技術．

    生物質譜技術是目前脂質組學研究的核心工具．基於質譜技術的脂質分析策略主要包括液相色譜- 質譜聯用技術和“鳥槍法”脂質組學技術(shotgunlipidomics).

12.   問題和將來的發展

a．開發脂質制備新技術方法，在完善適宜於不同樣品脂質組學研究的脂質提取、分離等配套制備技術方法基礎上，形成不同生物樣品(如體液包括血液、尿液等，組織包括心、腦、肝等，細胞包括血液細胞、細胞株等)的標準化脂質制備方法或系統；

------建立提取和分離的標準。

b．完善快速、高通量、高精度脂質分析鑑定、定量技術系統，特別是自動化脂質分析和定量相關的生物信息學軟件的開發，並建立綜合的脂質組數據庫；-

-----開發軟件和數據庫。

c．脂質代謝途徑及網絡的深入研究以及相關生物信息學技術系統的建立和完善．

------網絡途徑和生物信息學。

    與此同時，必須注重脂質組學技術的應用，特別是加強以下幾個方面的發展，以期在未來的幾年實現脂質組學研究的突破進展：

a．規模性、高精度分析鑑定體液脂質代謝物及其與重要疾病的關係；

b．細胞及其區域性脂質組的動態變化與細胞功能異常的關係；

c．膽固醇及其氧化修飾加工的代謝調控與相關代謝性疾病的關係；

d．脂肪酸類的代謝調控與相關代謝性疾病的關係；

e．脂質組及其代謝調控與生命必需的基礎膜結構關係；

f．脂質代謝物及其代謝途徑與相關藥物的研發基礎．

13.進行脂質組學對實驗的要求：

（1）       材料：1個樣品需要50mg干重以上

（2）       實驗週期：1-2個月

（3）       服務包括：實驗設計、取樣、提取和分離、測定、分等完整的服務。

      

14. 脂質組學的實驗流程

    脂質組學研究的技術主要包括脂質的提取、分離、分析鑑定以及相應的生物信息學技術。生物質譜技術是目前脂質組學研究的核心工具。

研究方法：

    脂質的提取——有機溶劑【氯仿：甲醇：水（1:2:0.8）的混合液】以及固相萃取（只檢測總脂中的部分脂質）      

    脂質的分離——吸附色譜方法

       脂質的分析鑑定——薄層色譜(TLC) 法，液相色譜-質譜聯用(LC/MS) 法，氣相色譜-質譜聯用(GC/MS) 法，電噴霧電離質譜等。

15.脂質組學分析軟件

目前, 通過脂質質譜數據已經開發出多種用於脂質研究的軟件。這些軟件可以歸納為3類:

(1)可以免費獲得的軟件;

(2)開放的資源軟件;

(3)從商業公司購買的軟件。

第1 類中比較好的軟件有LipidNavigator(http://lipidsearch.jp/LipidNavigator.htm

), 這個軟件是日本知識產業株式會社和東京大學玄一圖書館共同開發的。

LipidNavigator

是一個高通量網頁工具, 可採用各種類型的原始脂質質譜數據庫自動分析磷脂。另一個免費使用的軟件是TriglyAPCI, 它是Cvačka等(2006)基於Microsoft Visual basic 6.0開發的,可以用來解析甘油三酯的APCI-MS圖譜。TriglyAPCI先對LC-MS獲得的譜圖進行分析, 獲得碎片或是分子加合物, 然後再提供與之可能相關聯的甘油三酯的結構信息。第3 個免費軟件是Brown  的位於Nashville的一個研究小組開發的, 這個軟件可以分析從質譜獲得的大量數據, 它通過採用S-Plus 3.3版軟件以便能和Windows系統兼容(Ivanova et al.,2004)。此軟件通過演算法對數據進行規範化處理,可以對不同質譜和不同重複獲得的數據進行統計學比較。在開放性資源裡面有SECD(分析從色譜數據獲得的譜圖)和LIMSA(脂質質譜分析)2個軟件。這2個軟件可以進行基於正離子和負離子模式的數據分析, 也可以進行基於MS/MS譜圖的數據分析(Haimi et al.,2006)。Katajamaa等(2006)開發了基於Java的另一個軟件Mzmine,可以進行數據處理和製圖, 並且可以通過演算法進行波譜過濾、峰採集、二維圖形可視化、校正和規範化等。第3類需要付費購買的軟件有Lipid Profiler, 它是由MDS Sciex開發的。Lipid Profiler也已經應用到脂質組學的許多研究中。

16. 脂質組學數據庫及相關網站

  名稱  

網址

國家

內容

LMSD

http://www.lipidmaps.org/data/structure/index.html

美國

脂質分類,脂質組學研究

LipidBank

http://lipidbank.jp

日本

脂質分類,提供脂質實驗數據

LIPIDAT

http://www.caffreylab.ul.ie

美國

脂質的熱力學、相位圖和分子結構信息

Cyberlipid  Center

http://www.cyberlipid.org

法國

脂質結構信息和分析方法

SphinGOMAP

http://sphingolab.biology.gatech.edu

美國

鞘脂類的生化合成途徑

Lipid Library

http://www.lipidlibrary.co.uk/index.html

英國

脂質化學、生物和分析等信息

KEGG

http://www.genome.jp/kegg

日本

脂肪酸的合成和降解、膽固醇和磷脂的代謝途徑等

GOLD

http://gold.uni-graz.at/index.html

澳大利亞

與脂質紊亂相關的基因

SOFA

http://sofa.bfel.de

德國

植物油及其脂質組成的信息

17. 參考文獻

（1）蔡潭溪,劉平生,楊福全,楊福愉. 脂質組學研究進展. 生物化學與生物物理進展, 2010, 37(2):121-128.

（2）王濤, 梅旭榮, 鐘秀麗, 李玉中. 脂質組學研究方法及其應用. 植物學報.2010, 45 (2):249-257.

（3）Han XL, GrossRW (2003). Global analyses of cellular lipidomes directly from crude extractsof biological samples by ESI mass spectrometry: a bridge to lipidomics. JLipid Res 44, 1071–1079. （IF 2013 4.73）