介紹

代謝組學是對生物系統中細胞內和細胞外代謝物譜的研究，從中可以系統地了解細胞、組織或生物體的分子生理學。因此，代謝組學在疾病診斷/藥物反應的生物標志物發現和響應擾動的代謝途徑分析中發揮著重要作用。代謝組學常用的分析平臺，如質譜（MS）和核磁共振（NMR），可以檢測特定時刻體內復雜代謝后代謝物的總量，但無法準確識別代謝物的具體代謝途徑。目前，為了克服此類問題并進一步研究代謝組學，引入穩定同位素標記的化合物作為示蹤劑來描繪代謝途徑并追蹤細胞代謝物中的元素命運。該技術也稱為穩定同位素輔助代謝組學（SIAM）。

同位素標記方法

代謝組學中不同生物體代謝物的檢測和細胞內代謝通量的定量可以通過用穩定同位素標記的化合物對生物體進行同位素標記來實現。同位素標記方法包括同位素稀釋（或富集）、同位素示蹤和13?C 指紋分析。詳細信息如下并如圖1所示。

同位素稀釋（或富集）：該方法簡要描述如下。生長細胞用多種碳源標記（其中一些被標記），然后測量代謝產物的標記情況。該方法用于研究細胞營養利用。

同位素示蹤：該方法簡要描述如下。將細胞培養物暴露于標記化合物，然后測量下游代謝物中標記隨時間的變化。該方法允許同位素非平穩代謝通量分析來量化細胞通量組。

13?C-指紋識別：該方法簡要描述如下。使用指定的標記13?C 底物創建穩態并定位代謝物中的特定標記模式，從而描繪功能途徑。該方法允許13?C 代謝通量分析來量化細胞通量組。

圖 1 用于代謝分析的同位素標記方法。

應用領域

同位素標記化合物在代謝組學中的實際應用范圍廣泛。詳情如下。

跟蹤營養利用情況分析：豐富的培養基含有促進細胞生長和產物合成的瓶頸營養。當在豐富的培養基中提供13 C 標記的化合物時，從底物重新合成的代謝物將被標記，而源自培養基中未定義的營養物的代謝物則不會。因此，生物源和外源代謝物中的13?C 標記可以識別未從主要底物有效合成的必需營養素。它在疾病診斷和病理分析的醫學研究中具有特殊的價值。

代謝物鑒定：由于標記同位素可通過 m/z 比與天然同位素區分開，因此用13?C 和15?N 標記化合物標記的生物樣品通常有助于代謝物分析。

代謝物定量分析：即使在樣品降解和儀器變化的噪音下，也可以使用穩定同位素標記的代謝物作為內標來確定代謝物濃度。

通路研究：穩定同位素標記的化合物廣泛用于確認或發現功能通路。例如，通過使用 2- 13?C 甘油對其代謝物進行指紋識別，在藍藻中發現了不依賴于蘇氨酸的異亮氨酸合成途徑。穩定同位素標記的化合物也已用于闡明網絡范圍的代謝途徑。例如，將 U-?13?C 谷氨酰胺或胺標記的 α-?15?N 谷氨酰胺與未標記的葡萄糖一起供應到細胞培養物中，以對下游代謝物進行指紋分析，以分析 A549 人肺癌細胞中的谷氨酰胺代謝。

微生物群落的代謝分析：微生物群落中的物種具有復雜的營養相互作用。在生態學中，穩定同位素標記的化合物被廣泛用于確定微生物群落種群和碳同化模式。例如，將13?C-甲苯喂入微生物群落后，通過分析13?C-脂肪酸并對13?C-標記的 16S rRNA 進行測序來鑒定甲苯降解微生物。