代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，研究對象大都是相對分子質(zhì)量在1000以內(nèi)的小分子物質(zhì)。這門繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后出現(xiàn)的學(xué)科經(jīng)過二十多年的發(fā)展目前已經(jīng)在疾病早期診斷、藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、疾病機(jī)理研究及疾病診斷等方面取得了許多重大進(jìn)展。
生物學(xué)研究的歷程往往要經(jīng)過從宏觀表型的觀察到微觀機(jī)制的探索，最后再回到宏觀表型的解釋和修正這樣一個(gè)過程。在代謝組學(xué)出現(xiàn)之前，就有科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)對單細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析是可行的，NormanIscove的課題組曾利用PCR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對cDNA分子的指數(shù)級擴(kuò)增。在人類基因組計(jì)劃完成之后的后基因組時(shí)代，科學(xué)家們也已經(jīng)不能滿足于在個(gè)體水平進(jìn)行基因組學(xué)的研究探索，在2005年RogerLasken研究團(tuán)隊(duì)首次完成單細(xì)胞DNA擴(kuò)增及測序，在此之后單細(xì)胞基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究技術(shù)又得到不斷革新。相比之下，由于代謝組學(xué)起步晚，并且與DNA和RNA不同，代謝物無法擴(kuò)增，單個(gè)細(xì)胞能夠提供的用于分析的代謝物濃度低體積小，一些極為稀少的代謝物需要更加靈敏的檢測方法，除此之外細(xì)胞內(nèi)代謝物的濃度可能會在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生翻天覆地的變化，因此代謝組學(xué)的復(fù)雜性決定了單細(xì)胞代謝組學(xué)的研究面臨許多困難。
為什么要進(jìn)行單細(xì)胞代謝組學(xué)研究？
顧名思義，多細(xì)胞生物體內(nèi)由多個(gè)細(xì)胞組成，而對于人類而言，人體內(nèi)的細(xì)胞數(shù)目更是龐大到幾十萬億級別，雖然這些細(xì)胞都起源于受精卵具有相同的基因組成，但是形成不同組織器官的細(xì)胞具有不同的基因表達(dá)情況，近些年的研究又進(jìn)一步證實(shí)形成相同組織的同一群細(xì)胞個(gè)體之間也存在差別——這就是細(xì)胞異質(zhì)性。細(xì)胞異質(zhì)性在腫瘤組織中特別常見，這也是導(dǎo)致許多癌癥病人在接受化療之后仍然出現(xiàn)復(fù)發(fā)的一個(gè)重要原因。除此之外，為何生長在同一個(gè)菌落中的細(xì)菌具有不同的抗性能力？大腦中為何有不同的細(xì)胞亞型？答案可能都在細(xì)胞異質(zhì)性。
生物機(jī)體需要通過影響一些生理活動在穩(wěn)定性和可塑性之間實(shí)現(xiàn)一種平衡，比如說神經(jīng)可塑性對學(xué)習(xí)過程非常重要，而記憶的維持又需要神經(jīng)元具有穩(wěn)定性。如果能夠在細(xì)胞層面上對參與生理病理過程的一些關(guān)鍵生物化學(xué)成分進(jìn)行描述，將有助于了解細(xì)胞實(shí)現(xiàn)可塑性和穩(wěn)定性的特定機(jī)制。單細(xì)胞代謝組學(xué)為解答這些問題提供了很好的機(jī)會。
細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑能夠受到內(nèi)在和外在因素的共同影響，具有高度動態(tài)性，這一點(diǎn)與基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組存在巨大差別。如果說細(xì)胞的基因型代表了細(xì)胞的“潛能”那么表型就代表了細(xì)胞的功能，但這兩者之間往往無法建立起明確的關(guān)聯(lián)。與單細(xì)胞基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)能夠?yàn)榱私饧?xì)胞的功能提供最靈敏的動態(tài)畫面，但單細(xì)胞代謝組學(xué)指標(biāo)的測量毫無疑問也是最困難的。
單細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)展
對于單細(xì)胞代謝組學(xué)來說，單細(xì)胞樣品制備、鑒定細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物和數(shù)據(jù)分析都需要復(fù)雜的技術(shù)和模型來進(jìn)行。由于細(xì)胞代謝會對環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)，因此在單細(xì)胞樣品制備過程中面臨的一個(gè)主要問題就是如何在樣品制備過程中盡量避免或減少對細(xì)胞代謝的影響，其中一種方法就是在制備過程中將細(xì)胞盡可能地維持在天然環(huán)境中，許多微流體芯片可以實(shí)現(xiàn)分離細(xì)胞后將其培養(yǎng)在合適的環(huán)境中，向培養(yǎng)液中注射定量的化學(xué)物質(zhì)，有選擇性地釋放出細(xì)胞進(jìn)行分析。另一種方法就是進(jìn)行代謝物測定之前對細(xì)胞進(jìn)行快速冷凍，防止細(xì)胞出現(xiàn)代謝產(chǎn)物的巨大改變。
研究人員通常使用質(zhì)譜或核磁共振來開展代謝組學(xué)研究，但是由于核磁共振技術(shù)不太敏感，所以質(zhì)譜法成為主要方法，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出很多可以提高質(zhì)譜檢測能力和通量、簡化提取單細(xì)胞代謝物的方法。據(jù)2016年發(fā)表在Nature上的一篇文章介紹，來自蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Zenobi教授使用專門的硅載玻片把單個(gè)細(xì)胞遞送到質(zhì)譜儀里——玻片上經(jīng)過特殊處理，將稀釋后的細(xì)胞添加到載玻片上，載玻片上涂層的排斥性確保每個(gè)儲存空間只有一些液體和一到兩個(gè)細(xì)胞，然后再借助儀器檢測每個(gè)孔里細(xì)胞的代謝產(chǎn)物。這種芯片可以檢測1000個(gè)細(xì)胞，在單細(xì)胞領(lǐng)域算得上高通量了。
由于動物細(xì)胞、植物細(xì)胞和微生物細(xì)胞在細(xì)胞大小上存在顯著差異，而隨著細(xì)胞大小的不同，細(xì)胞內(nèi)代謝物的絕對量也存在變化。喬治華盛頓大學(xué)的化學(xué)家AkosVertes表示，對于比較大的細(xì)胞他們會使用尖銳的光纖將紅外光傳遞到細(xì)胞內(nèi)，光的激發(fā)導(dǎo)致細(xì)胞炸裂并噴射出細(xì)胞內(nèi)的生化分子，隨后借助后續(xù)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)譜分析，他們已經(jīng)可以通過計(jì)算機(jī)操控實(shí)現(xiàn)該過程的自動化；對于小細(xì)胞來說，他們會將細(xì)胞沉積在硅材料制成的納米涂層上，通過對涂層進(jìn)行成像揭示離子束向哪個(gè)位置進(jìn)行單細(xì)胞靶向，通過后續(xù)技術(shù)進(jìn)行代謝物分子的質(zhì)譜分析。
據(jù)專家介紹，利用生物信息學(xué)方法解讀單細(xì)胞代謝組學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不成問題，主要挑戰(zhàn)在于開發(fā)可以同時(shí)分析多個(gè)單細(xì)胞并檢測每個(gè)細(xì)胞中的代謝產(chǎn)物同時(shí)還可以使結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義的儀器。加利福尼亞州Scripps代謝組學(xué)和質(zhì)譜技術(shù)中心負(fù)責(zé)人GarySiuzdak表示，目前的方法只能研究幾十或上百個(gè)不同分子，但是細(xì)胞中存在許多種代謝物，目前來說即使是最敏感的分析技術(shù)，也只能檢測細(xì)胞中最普遍也最容易檢測的分子，不太常見的分子就無法被檢測。除此之外，如何對單個(gè)活細(xì)胞進(jìn)行代謝組學(xué)分析也是科學(xué)家們努力的方向。
單細(xì)胞代謝組學(xué)有望解決哪些問題？
檢測和理解癌細(xì)胞是單細(xì)胞代謝組學(xué)潛在應(yīng)用領(lǐng)域中最令人感興趣的。在進(jìn)行正常代謝的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)具有異常高代謝速率的癌細(xì)胞，包括導(dǎo)致癌轉(zhuǎn)移的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，就是其中一項(xiàng)應(yīng)用。在目前的癌癥治療框架中，利用單細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)可以在癌組織中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生藥物抵抗的癌細(xì)胞，或者發(fā)現(xiàn)為何一些癌細(xì)胞在受到環(huán)境或藥物刺激后會發(fā)生死亡而仍然還有一些細(xì)胞能夠通過改變自身代謝途徑存活下來。其他潛在應(yīng)用還包括通過單細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)獲得建立細(xì)胞代謝數(shù)學(xué)模型所需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)，對衰老和干細(xì)胞命運(yùn)進(jìn)行更多的了解。
在單細(xì)胞代謝組學(xué)真正應(yīng)用于系統(tǒng)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷之前，還有許多問題需要解決，其中包括擴(kuò)大對代謝產(chǎn)物的覆蓋范圍；對單細(xì)胞代謝產(chǎn)物進(jìn)行更快速的鑒定同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量檢測；建立發(fā)現(xiàn)新的未知代謝產(chǎn)物的操作流程；對活細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測。代謝組學(xué)雖然起步較晚但是隨著檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步和革新，未來一定會取得更多突破進(jìn)展。
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