熊倩，胡立新，蔣宇霞，應(yīng)光國(guó),*

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 華南師范大學(xué)環(huán)境研究院 廣東省化學(xué)品污染與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&環(huán)境理論化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基因組學(xué)(Genomics)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics)和蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)取得了快速發(fā)展，同時(shí)對(duì)生物體或者細(xì)胞內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定性和定量分析的代謝組學(xué)(Metabonomics)也應(yīng)運(yùn)而生。然而由于生物代謝物的種類繁多且復(fù)雜，很難用同一種方法一次性分析檢測(cè)所有的代謝物，因此利用代謝物的特異性對(duì)其進(jìn)行分類研究，逐步形成脂質(zhì)代謝組學(xué)、糖類代謝組學(xué)、毒素代謝組學(xué)等一系列代謝組學(xué)的分支[1]。因脂質(zhì)所具有的獨(dú)特生物學(xué)功能，脂質(zhì)組學(xué)作為代謝組學(xué)的一個(gè)重要分支，逐漸成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。2003年，Han和Gross[2]首次提出脂質(zhì)代謝組學(xué)(Lipidomics)的概念，將其定義為：對(duì)生物體、組織或者細(xì)胞中的脂質(zhì)以及與其相互作用的分子進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析、鑒定，了解脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而揭示脂質(zhì)代謝與細(xì)胞、器官乃至機(jī)體的生理、病理過(guò)程之間關(guān)系的一門學(xué)科。

脂質(zhì)是自然界中存在的一大類溶于有機(jī)溶劑而不溶于水的、在化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)上非均一的化合物，主要包括脂肪酸及其天然產(chǎn)生的衍生物(如酯或胺)，以及與其生物合成或功能相關(guān)的化合物[3]。根據(jù)新的分類方法脂質(zhì)被細(xì)分為8個(gè)大類：脂肪酸類(fatty acyls, FA)、甘油糖脂類(glycerolipids, GL)、甘油磷脂類(glycerophospholipids, GP)、鞘脂類(sphingolipids, SP)、固醇脂類(sterol lipids, ST)、孕烯醇酮脂類(prenol lipids, PR)、糖脂類(saccharolipids, SL)、聚酮類(polyketides, PK)[4]。脂質(zhì)種類的多樣性賦予了其多種重要的生物學(xué)功能，其不僅可以作為能量的來(lái)源為生物體提供能量，同時(shí)還是細(xì)胞膜的骨架成分，幫助維持細(xì)胞膜的正常功能。多種脂質(zhì)分子是生物體內(nèi)一些重要生理活性物質(zhì)的合成前體；某些脂質(zhì)分子本身還是信號(hào)分子，在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮作用。此外，大量研究表明脂質(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，通過(guò)分析脂質(zhì)的變化并鑒定脂質(zhì)生物標(biāo)志物，可以為疾病的預(yù)防和診斷提供策略[5]。細(xì)胞耐受環(huán)境脅迫、適應(yīng)環(huán)境變化過(guò)程中脂質(zhì)起著關(guān)鍵作用，脂質(zhì)組成的變化及一些脂質(zhì)合成通路的改變，反映了生物體對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制和適應(yīng)能力[6]。本文就脂質(zhì)組學(xué)的研究方法及其在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行概述，主要側(cè)重于脂質(zhì)組學(xué)及其與其他組學(xué)聯(lián)用的多組學(xué)技術(shù)在環(huán)境脅迫耐受性、環(huán)境污染物毒性評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用。

1 脂質(zhì)組學(xué)的研究方法(Analytical methods of lipidomics)

脂質(zhì)組學(xué)研究受到重視的同時(shí)，大量先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及研究方法的改進(jìn)，推動(dòng)了脂質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展。脂質(zhì)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)及相關(guān)生物信息學(xué)技術(shù)[7]，實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1[8]。

1.1 脂質(zhì)的提取

脂質(zhì)分析檢測(cè)時(shí)，為了避免生物體內(nèi)蛋白質(zhì)、糖類或其他小分子化合物對(duì)脂質(zhì)測(cè)定的干擾，樣品上機(jī)前必須經(jīng)過(guò)提取。脂質(zhì)的提取一般分為液液萃取和固相萃取2種方法。最常用的液液萃取體系是1957年Folch等[9]創(chuàng)建的甲醇/氯仿體系(2∶1,V/V)。隨后Bligh等[10]在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)加入一定比例水或者其他改性試劑(如乙酸)，可以有效避免脂質(zhì)的降解進(jìn)而提高脂質(zhì)回收率。與Folch的方法相比，正己烷/異丙醇的體系(3∶2,V/V)對(duì)人體毒性較小，但因其提取脂質(zhì)的效率并不高而使用較少[11]。液液萃取的體系有很多，如丁醇/甲醇體系可用于提取總脂[12]、甲基叔丁基醚用于同時(shí)提取脂質(zhì)和其他代謝產(chǎn)物[13]等。固相萃取又稱液-固萃取，其原理是利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附，與樣品中的基質(zhì)和干擾物分離，然后再利用甲醇、正己烷或氯仿等有機(jī)試劑作為洗脫液洗脫或加熱解吸，以達(dá)到分離和富集的目的。常用的固相萃取介質(zhì)是C18固相萃取小柱，另外還有-CN, -NH2等基團(tuán)鍵合的固相萃取柱，以及離子交換柱和吸附樹(shù)脂柱等[14-15]。在脂質(zhì)組學(xué)研究中，采用哪種方法更能有效地提取脂質(zhì)，取決于實(shí)驗(yàn)的目的：對(duì)于非靶向代謝組學(xué)研究，液液萃取能夠提取多種脂類化合物；對(duì)于靶向代謝組學(xué)研究，固相萃取則更為高效且特異性強(qiáng)[16]。除了液液萃取和固相萃取外，近年來(lái)脂質(zhì)的提取引入了一些新的方法，諸如超聲提取[17]、固相微萃取[18]、加壓溶劑萃取[19]等。

1.2 脂質(zhì)的分析檢測(cè)

質(zhì)譜、核磁共振以及其他的光譜分析法是用于脂質(zhì)組學(xué)研究的主要分析手段，大致可以歸納為三類：基于直接進(jìn)樣的質(zhì)譜分析法、基于色譜質(zhì)譜聯(lián)用的分析法、基于光譜的分析法。直接進(jìn)樣的質(zhì)譜分析法，準(zhǔn)確度高、重復(fù)性強(qiáng)且節(jié)約時(shí)間，常用的離子化技術(shù)有電噴霧電離(Electrospray Ionization, ESI)技術(shù)[2]、基質(zhì)輔助激光解吸附法(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)[20]等。除此之外，質(zhì)譜成像技術(shù)(Mass Spectrometry Imaging, MSI)[21]是可視化多維呈現(xiàn)分子空間分布信息的分析技術(shù)?；谏V質(zhì)譜聯(lián)用的脂質(zhì)分析法因其具有較好的分離效果而被廣泛使用，常用的色譜分離技術(shù)有：薄層色譜法(Thin Layer Chromatography, TLC)[22]、氣相色譜(Gas Chromatography, GC)[23]、高效液相色譜(High-Performance Liquid Chromatography, HPLC)[24]、臨界流體色譜法(Supercritical Fluid Chromatography, SFC)[25]、毛細(xì)管電泳(Capillary Electrophoresis, CE)[26]等。光譜分析技術(shù)較質(zhì)譜而言，靈敏度低、產(chǎn)物鑒定困難，故很少用于脂質(zhì)分析，用得相對(duì)較多的是核磁共振法(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)[27]、拉曼光譜法(Raman Spectroscopy)[28]。

圖1 脂質(zhì)代謝組學(xué)流程圖注：PCA是主成分分析方法，OPLS-DA是正交偏最小二乘判別分析，S-Plot是得分圖，ROC是受試者工作特征曲線。Fig. 1 The flow chart of lipidomics researchNote: PCA, Principal Component Analysis; OPLS-DA, Orthogonal Partial Least Squares Discrimination Analysis; S-Plot, Score Plot; ROC, Receiver Operating Characteristic Curve.

脂質(zhì)分析的方法很多，但幾乎每種方法都存在自身的不足之處，現(xiàn)將幾種檢測(cè)方法的利弊進(jìn)行比較，如表1所示。其中任何一種分析方法幾乎都無(wú)法同時(shí)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)成千上萬(wàn)種脂質(zhì)分子，但是不同分析技術(shù)的結(jié)合可以有效分析大部分不同極性的代謝產(chǎn)物并擴(kuò)大研究對(duì)象的范圍。因此，為了更好地研究脂質(zhì)組學(xué)，有必要將多種分析方法聯(lián)用以期有效擴(kuò)大脂質(zhì)組學(xué)的研究范疇。脂質(zhì)組學(xué)研究常用的分析方法有核磁共振(NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(Gas Chromatography - Mass Spectrometry, GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(Liquid Chromatography - Mass Spectrometry, LC-MS)、毛細(xì)管電泳質(zhì)譜(Capillary Electrophoresis - Mass Spectrometry, CE-MS)等[29]。目前，GC還經(jīng)常與飛行時(shí)間質(zhì)譜(Time-of-Flight, TOF-MS)聯(lián)用，可以有效地同時(shí)分析多種化學(xué)性質(zhì)不同的化合物，包括有機(jī)酸、糖類、大多數(shù)氨基酸、糖醇類、脂肪酸以及芳香胺等[30]。GC-MS的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)庫(kù)較健全，這使得代謝產(chǎn)物的鑒定相對(duì)容易些；然而應(yīng)用GC-MS時(shí)，如若目標(biāo)化合物難揮發(fā)，需要對(duì)其進(jìn)行衍生化，而衍生化又會(huì)引入很多雜質(zhì)化合物。LC-MS因其具有較高的靈敏度且適宜測(cè)定極性范圍及分子量范圍更廣的化合物，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于脂質(zhì)組學(xué)研究。較GC-MS而言，LC-MS無(wú)需衍生化，但其最大的缺陷在于數(shù)據(jù)庫(kù)不夠全面，限制了非靶向代謝組學(xué)研究中代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定。綜上所述，對(duì)于脂質(zhì)的分析檢測(cè)方法需根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约笆茉噷?duì)象性質(zhì)，綜合多方因素選擇較優(yōu)的方法。

1.3 脂質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)處理

與其他組學(xué)一樣，脂質(zhì)組學(xué)得到的也是大量的、多維的數(shù)據(jù)，需要利用化學(xué)計(jì)量學(xué)和生物信息學(xué)的方法來(lái)解釋各種分析平臺(tái)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)常需要對(duì)不同時(shí)間或不同方式處理后采集的樣品進(jìn)行分類，常采用的分析技術(shù)是模式識(shí)別(Pattern Recognition)，它是一個(gè)獲得、處理、提取數(shù)據(jù)所包含的性質(zhì)并區(qū)分輸入信息模式的過(guò)程，其核心思想就是進(jìn)行多元數(shù)據(jù)投影分析，迅速、準(zhǔn)確地從數(shù)據(jù)中提取有效信息并提供有效的診斷和可視化工具。模式識(shí)別技術(shù)包括非監(jiān)督(Unsupervised)學(xué)習(xí)方法和有監(jiān)督(Supervised)學(xué)習(xí)方法[31]。非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法主要有主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)、非線性映射(Nonlinear Mapping, NLM)、簇類

表1 不同脂質(zhì)分析檢測(cè)方法的比較Table 1 Comparative analysis of different methods using for lipidomics

Note: ESI-MS, Electrospray Ionization - Mass Spectrometry; MALDI-MS, Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization - Mass Spectrometry; MSI, Mass Spectrometry Imaging; TLC-MS, Thin Layer Chromatography - Mass Spectrometry; GC-MS, Gas Chromatography - Mass Spectrometry; HPLC-MS, High-Performance Liquid Chromatography; NMR, Nuclear Magnetic Resonance.

分析(Hierarchical Cluster Analysis, HCA)等。有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法用于建立類別間的數(shù)學(xué)模型，使各類樣品間達(dá)到最大的分離，從而準(zhǔn)確找到輸入與目標(biāo)化合物之間的關(guān)系。應(yīng)用于該領(lǐng)域的主要有PLS-DA(Partial Least Squares-Discriminant Analysis)、OPLS-DA(Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis)、ANN(Artificial Neural Network)等[32-33]。

脂質(zhì)組學(xué)迅猛發(fā)展的同時(shí)，逐步建立起了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)庫(kù)能夠查詢脂質(zhì)物質(zhì)名稱、分類、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)譜信息以及試驗(yàn)信息等，其功能也越來(lái)越完善。而數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及完善又進(jìn)一步地加速了脂質(zhì)組學(xué)自身的發(fā)展。其中最大的數(shù)據(jù)庫(kù)LIPID Maps，是2003年由美國(guó)國(guó)立綜合醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)(National Institute of General Medical Sciences, NIGMS)組織構(gòu)建，是“脂質(zhì)代謝和代謝途徑研究策略(LIPID MAPS)”項(xiàng)目的研究成果。LIPIDMaps中除了游離脂肪酸、膽固醇、甘油三酯、磷脂等8 000余種單一脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息外，還包括了81個(gè)大類、276個(gè)亞類脂質(zhì)化合物的結(jié)構(gòu)信息[34]。除此之外，不少國(guó)家和科研團(tuán)隊(duì)也建立了自己的數(shù)據(jù)庫(kù)[35-36]。代謝組學(xué)的分析軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)也可用于脂質(zhì)的定性和定量分析，利用KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)將脂質(zhì)代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)的可視化，可分析脂肪酸的合成和降解、膽固醇和磷脂的代謝途徑等[37-38]。重要的脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)如表2所示。

2 脂質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用(Application of lipidomics in environmental research)

脂質(zhì)組學(xué)是用于研究生命科學(xué)的有效工具，隨著研究的不斷深入發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的疾病診斷和新藥研發(fā)、環(huán)境領(lǐng)域中的污染物暴露研究和毒性評(píng)價(jià)、食品安全領(lǐng)域中的真?zhèn)舞b別，等等。本論文著重討論脂質(zhì)組學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 脂質(zhì)組學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

脂質(zhì)組學(xué)是一門研究生物體內(nèi)源性脂質(zhì)代謝物的整體及其隨內(nèi)部因素或外部因素變化的科學(xué)。脂質(zhì)組學(xué)憑借其定位于終端代謝物的優(yōu)勢(shì)，探究外源刺激對(duì)生物體的精細(xì)影響，篩選出的生物標(biāo)志物可以揭示外源刺激的早期干擾，相關(guān)代謝通路分析可以為探索外源干擾的作用機(jī)制提供有力信息。因此，脂質(zhì)組學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，可概括為2個(gè)方面：1)環(huán)境脅迫耐受性的評(píng)價(jià)；2)污染物暴露研究及其毒性評(píng)價(jià)。

表2 脂質(zhì)組學(xué)研究中的主要數(shù)據(jù)庫(kù)Table 2 Main databases in lipidomics research

2.1.1 脂質(zhì)組學(xué)在環(huán)境脅迫耐受性中的應(yīng)用

環(huán)境脅迫條件如鹽度、溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)鹽等因素均會(huì)引起機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)，目前研究者們以不同植物(微藻、擬南芥等)和動(dòng)物(老鼠、魚(yú)、人等)為模式生物展開(kāi)了一系列脂質(zhì)組學(xué)研究。發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)組學(xué)方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境變化所引起的生物體內(nèi)脂質(zhì)組成及代謝的變化情況。2012年Lu等[39]第一次將脂質(zhì)組學(xué)用于研究NaCl脅迫條件下微藻的生理響應(yīng)機(jī)制，其通過(guò)GC-MS分析技術(shù)并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法分析NaCl脅迫條件下雪衣藻(Chlamydomonasnivalis)的脂肪酸組分變化及脂肪酸生物標(biāo)志物鑒定，發(fā)現(xiàn)6種脂肪酸生物標(biāo)志物(C16:0、C16:3、C18:0、C18:1、C18:2和C18:3)，它們有助于減緩細(xì)胞膜流動(dòng)性和滲透性進(jìn)而增強(qiáng)雪衣藻對(duì)高鹽度的耐受性。Lu等[40]隨后利用超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(UPLC/QTOF-MS)技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步分析NaCl脅迫條件下雪衣藻的脂質(zhì)組分變化及鑒定脂質(zhì)生物標(biāo)志物，篩選出7個(gè)大類35種極性脂質(zhì)作為相應(yīng)NaCl脅迫的脂質(zhì)生物標(biāo)志物。其結(jié)果是對(duì)GC-MS分析脂肪酸結(jié)果的補(bǔ)充，進(jìn)一步解釋和闡述雪衣藻適應(yīng)NaCl脅迫條件的脂質(zhì)代謝分子調(diào)節(jié)機(jī)制。Vítová等[41]基于親水作用液相色譜-電噴霧質(zhì)譜(HILIC-LC/ESI-MS)技術(shù)探討不同pH(pH=1、2、3、4)培養(yǎng)條件下紅藻(Galdieriasulphuraria)的脂質(zhì)組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)極性脂中同分異構(gòu)體的比例增加，隨著pH增大磷脂(PG, PC, PE, PI, PS, PA)和糖脂(MGDG, DGDG, SQDG)含量增加而甜菜堿脂含量(DGTA, DGTS)減少。溫度對(duì)于植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響其生長(zhǎng)，造成葉片的損傷。將擬南芥于4 ℃條件下暴露14 d后，Degenkolbe等[42]利用超高效液相色譜-質(zhì)譜/傅里葉變換質(zhì)譜(UPLC-MS/FT-MS)技術(shù)分析了其葉片脂質(zhì)組分的變化，發(fā)現(xiàn)低溫刺激下會(huì)造成其葉片脂質(zhì)積累，但發(fā)生變化的大多數(shù)是長(zhǎng)鏈不飽和三酰甘油酯，而總脂數(shù)目幾乎不變。Higashi等[43]基于LC-MS的脂質(zhì)組學(xué)的方法研究了短期高溫暴露對(duì)擬南芥葉膜的影響，發(fā)現(xiàn)高溫引起葉膜中多元不飽和脂肪酸減少，三酰甘油增加而這類化合物正是脂質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物。

Marcher等[44]采用基于質(zhì)譜的脂質(zhì)組學(xué)方法研究了小鼠響應(yīng)寒冷條件下褐色脂肪組織中甘油通路的變化，發(fā)現(xiàn)三酰甘油酯中長(zhǎng)鏈和奇數(shù)?；愔|(zhì)增加，甘油磷脂的種類變化較大。Hu等[45]基于超快速液相色譜-質(zhì)譜(UFLC-MS)技術(shù)的脂質(zhì)組學(xué)分析運(yùn)動(dòng)前后小鼠肝臟和肌肉中脂質(zhì)成分的變化，結(jié)果表明耐力運(yùn)動(dòng)后肝臟中游離脂肪酸會(huì)增加，而快速運(yùn)動(dòng)后三酰甘油酯增加；經(jīng)運(yùn)動(dòng)后肌肉中三酰甘油酯減少，可能是由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致脂肪酸氧化引起。Yan等[46]第一次將脂質(zhì)組學(xué)應(yīng)用于研究魚(yú)類對(duì)復(fù)雜環(huán)境的生理響應(yīng)，利用UPLC/QTOF-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱帶風(fēng)暴后網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的大黃魚(yú)和石斑魚(yú)發(fā)生了不一樣的生理響應(yīng)，恢復(fù)期大黃魚(yú)的生化指標(biāo)變化明顯。進(jìn)一步的脂質(zhì)生物標(biāo)志物鑒定發(fā)現(xiàn)高不飽和脂肪酸和溶血磷脂增加而飽和脂肪酸及縮醛磷脂減少，表明恢復(fù)的過(guò)程中需要消耗較多的能量且會(huì)持續(xù)有嚴(yán)重的炎癥。Gorrochategui等[47]采用非靶向脂質(zhì)代謝組學(xué)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)研究人體胎盤細(xì)胞對(duì)外源有害物質(zhì)的響應(yīng)，生物標(biāo)志的鑒定闡明了細(xì)胞對(duì)外界刺激的應(yīng)答。

2.1.2 脂質(zhì)組學(xué)在污染物暴露研究及其毒性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

生物體內(nèi)脂質(zhì)化合物的變化可視為機(jī)體對(duì)外界環(huán)境因素影響的響應(yīng)，由于脂質(zhì)代謝物的變化可以靈敏地指示和闡明外來(lái)干擾在組織和器官水平的毒性效應(yīng)、以及毒性作用的靶點(diǎn)[48]，因此借助脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)評(píng)估環(huán)境污染物暴露所引起的毒性效應(yīng)，并根據(jù)脂質(zhì)生物標(biāo)志物推斷其毒性作用的分子機(jī)制具有快速、靈敏度高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)于低劑量或環(huán)境劑量污染物的毒性效應(yīng)評(píng)估也具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，也有報(bào)道將脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)化合物的毒性效應(yīng)研究。持久性有機(jī)污染物(POPs)具有亞慢性毒性，采用脂質(zhì)代謝組學(xué)對(duì)其毒性效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其毒性作用機(jī)制。Kania-Korwel等[57]用脂質(zhì)組學(xué)方法研究了小鼠對(duì)多氯聯(lián)苯(PCB 126)暴露的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟中極性脂及甘油三酯(TAG)的含量與PCB的暴露量存在明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系，其含量隨著暴露濃度增加；同時(shí)他們還鑒定出了13個(gè)大類362種極性脂和15個(gè)大類607種TAG發(fā)生明顯改變。Nault等[58]基于非靶向脂質(zhì)組學(xué)的研究方法探討2,3,7,8-TCDD暴露對(duì)不同性別小鼠肝臟脂質(zhì)代謝的影響，發(fā)現(xiàn)雄性小鼠和雌性小鼠肝臟樣品中檢出的脂質(zhì)種類相當(dāng)，但脂質(zhì)含量存在差異，肝臟中游離脂肪酸累積由暴露前總脂的46%～ 48%增至68%～ 83%，且雄性小鼠膽固醇類脂質(zhì)增加了11.3倍。Lai等[59]利用基于LC-MS/MS技術(shù)的靶向脂質(zhì)組學(xué)分析全氟化合物(PFOS)暴露對(duì)孕期小鼠及其子代的影響，發(fā)現(xiàn)子一代睪丸中二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)及二十碳四烯酸(adrenic acid, AdA)減少，說(shuō)明PFOS暴露會(huì)造成子代小鼠生殖功能障礙；經(jīng)基因富集分析(DAVID)揭示了PFOS影響脂肪酸的合成和代謝機(jī)制(氧化還原、脂肪酸β氧化、輔酶A的生物合成機(jī)制等)。Jungnickel等[60]應(yīng)用脂質(zhì)組學(xué)研究低劑量多環(huán)芳烴類苯并[a]芘(BaP)和重金屬Cd及其聯(lián)合暴露對(duì)乳腺癌細(xì)胞MCF-7的影響，發(fā)現(xiàn)18種脂質(zhì)代謝生物標(biāo)志物足以建立多元統(tǒng)計(jì)學(xué)模型區(qū)分BaP處理組和聯(lián)合暴露組或?qū)φ战M，并引入毒性通路彩色代碼模型使結(jié)果可視化。Zhong等[61]用滴滴涕(DDT)暴露成年斑馬魚(yú)60 d，利用GC-MS和穩(wěn)定同位素技術(shù)研究斑馬魚(yú)肝臟組織中脂肪酸響應(yīng)DDT的變化，發(fā)現(xiàn)多元不飽和脂肪酸(C20:3n3、C20:4n6、C22:6n3)減少，飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸(C16:0、C18:0)及單不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸(C18:1n9)增加；且小鼠肝臟中脂肪酸組成的變化與組織病理學(xué)中發(fā)現(xiàn)的肝臟形態(tài)變化的結(jié)果一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)DDT暴露后小鼠肝臟受損與肝臟中脂肪的合成及去飽和、線粒體的β氧化等密切相關(guān)。除POPs外，研究者們還將脂質(zhì)組學(xué)應(yīng)用于環(huán)境中常見(jiàn)的有機(jī)污染物毒性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。雙酚S(BPS)與雙酚A(BPA)結(jié)構(gòu)類似，工業(yè)上常用BPS替代BPA，但關(guān)于BPS的毒性研究較少。Zhao等[62]采用基于質(zhì)譜的非靶向脂質(zhì)組學(xué)方法研究環(huán)境濃度BPS暴露對(duì)巨噬細(xì)胞的毒性作用機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)鞘磷脂-神經(jīng)酰胺信號(hào)通路、甘油磷脂和甘油糖脂生物合成和降解受到嚴(yán)重影響。Huang等[63]采用脂質(zhì)組學(xué)的方法研究4種環(huán)境濃度的個(gè)人護(hù)理品(醋氨酚、苯海拉明、卡馬西平及氟西汀)對(duì)斑馬魚(yú)的毒性效應(yīng)，以期深入了解外源化合物對(duì)斑馬魚(yú)的影響以及斑馬魚(yú)響應(yīng)干擾的分子生物學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)4種化合物引起14條通路發(fā)生顯著性變化，主要有氨基酸的代謝及生物合成、生物胺的代謝、脂肪酸和甘油磷脂的代謝。

2.2 多組學(xué)聯(lián)用

細(xì)胞或者組織層面的表型變化是多種分子相互作用的結(jié)果，而分子間的內(nèi)在聯(lián)系又決定了信號(hào)通路和一些復(fù)雜的性狀，包括介導(dǎo)著生物體適應(yīng)環(huán)境的可塑性及表型確定[64]。挖掘分子間的關(guān)聯(lián)及深入理解表型確定的潛在機(jī)制，需要對(duì)這些過(guò)程所涉及的生物分子進(jìn)行全面且有代表性的分析[65]。為了揭示生物過(guò)程間的復(fù)雜關(guān)系，相繼開(kāi)展了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等研究，然而單一的組學(xué)研究針對(duì)的是單一類型的分子，無(wú)法準(zhǔn)確解釋分子間復(fù)雜的關(guān)系，多組學(xué)聯(lián)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多組學(xué)是大規(guī)模研究生物體內(nèi)基因(基因組學(xué)和表型基因組學(xué))、轉(zhuǎn)錄(轉(zhuǎn)錄組學(xué))、蛋白質(zhì)(蛋白組學(xué))、代謝產(chǎn)物(代謝組學(xué))、脂質(zhì)(脂質(zhì)組學(xué))等受外界刺激引起的變化，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定性定量分析，鑒定生物標(biāo)志物并研究其功能及各種分子之間的相互關(guān)系，進(jìn)而闡明發(fā)生反應(yīng)的信號(hào)通路及代謝網(wǎng)絡(luò)[66]。國(guó)內(nèi)代謝組學(xué)研究的專家許國(guó)旺研究員曾對(duì)各組學(xué)的作用進(jìn)行了如下總結(jié)：基因組學(xué)反映什么是可以發(fā)生的，轉(zhuǎn)錄組學(xué)反映什么是可能要發(fā)生的，蛋白組學(xué)反映什么是賴以發(fā)生的，而代謝組學(xué)則反映什么是已經(jīng)發(fā)生[67]。多組學(xué)結(jié)合對(duì)于闡明生命的奧秘具有重要意義。多組學(xué)作為一個(gè)較新的研究方向，在過(guò)去的數(shù)十年迅猛發(fā)展，尤其在生物科學(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[68]。在環(huán)境領(lǐng)域，應(yīng)用多組學(xué)技術(shù)可以深入了解外源刺激下生物體在生物化學(xué)及生理層面的變化，全面地揭示生物體對(duì)于外源干擾的響應(yīng)機(jī)制。毒理學(xué)研究中多組學(xué)技術(shù)可用于鑒定一系列負(fù)反應(yīng)的生物標(biāo)志物，進(jìn)而參考已建立的有害結(jié)局通路(AOPs)鑒定化合物的潛在毒性作用機(jī)制(MoAs)[69]。

Lu等[70]采用基于尼羅紅染色的細(xì)胞組學(xué)(流式細(xì)胞儀及激光共聚焦掃描顯微鏡)和基于UPLC/QTOF-MS技術(shù)的脂質(zhì)組學(xué)結(jié)合的方法研究了NaCl脅迫條件下雪衣藻(Chlamydomonasnivalis)的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)：NaCl暴露7 h時(shí)總脂、中性脂及極性脂含量達(dá)到最大值，同時(shí)鑒定出了NaCl脅迫下與細(xì)胞膜穩(wěn)定性、信號(hào)傳導(dǎo)及光合作用速率相關(guān)的7個(gè)大類22種脂質(zhì)生物標(biāo)志物。Mandelli等[71]為了探究極端微生物絲狀棲熱菌(Thermusfiliformis)對(duì)高溫環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)多組學(xué)結(jié)合鑒定發(fā)生變化的主要基因/蛋白質(zhì)/代謝產(chǎn)物以期研究其耐熱機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：高溫引起氧化脅迫且抑制糖酵解及三羧酸循環(huán)相關(guān)的基因表達(dá)，葡萄糖的代謝主要通過(guò)磷酸戊糖途徑而不是糖酵解途徑，蛋白質(zhì)的分解、氧化應(yīng)激反應(yīng)及氨酰tRNA合成酶的復(fù)制等過(guò)程均與絲狀棲熱菌的耐熱機(jī)制有關(guān)。

多組學(xué)技術(shù)還可以應(yīng)用于研究重金屬、有機(jī)污染物等潛在污染物對(duì)生物體的毒性作用機(jī)制以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Santos等[72]采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)聯(lián)合的方法研究環(huán)境濃度Cu(3.2～128 μg·L-1)暴露對(duì)三刺魚(yú)(Gasterosteusaculeatus)的毒性影響機(jī)制，轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)Cu會(huì)引起活性氧的產(chǎn)生及氧化磷酸化而對(duì)三刺魚(yú)產(chǎn)生毒性影響且參與調(diào)控膽固醇的生物合成相關(guān)酶的基因下調(diào)，脂質(zhì)代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)代謝產(chǎn)物的變化及相關(guān)通路的改變與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的結(jié)果匹配。同年，Williams等[73]采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)聯(lián)合的方法探討環(huán)境濃度的多環(huán)芳烴類(二苯蒽，DbA)對(duì)三刺魚(yú)(Gasterosteusaculeatus)的影響機(jī)制，從分子調(diào)控和生物功能層面揭示了DbA對(duì)三刺魚(yú)的干擾，DbA誘導(dǎo)細(xì)胞色素P450酶相關(guān)基因的表達(dá)，且影響膽汁酸的生物合成、類固醇化合物代謝及內(nèi)分泌功能。隨后，Zhang等[74]利用這2種組學(xué)聯(lián)合評(píng)估污水處理廠廢水及源自工業(yè)園區(qū)的混合化學(xué)廢水對(duì)小鼠的毒性影響，為化學(xué)工業(yè)園區(qū)的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估篩選合適的生物標(biāo)志物。自1970s以來(lái)阻燃劑在人們的日常生活中穩(wěn)步增加，傳統(tǒng)阻燃劑對(duì)于生物體的毒性影響已有很多研究，而新型阻燃劑的毒性研究相對(duì)較少。Scanlan等[75]于2015年采用基因轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基于NMR技術(shù)的代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)多組學(xué)結(jié)合方法研究了7種新型阻燃劑對(duì)大型溞的毒性機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1/10 LC50劑量暴露水平下：五溴聯(lián)苯醚(pentaPBDE)會(huì)影響轉(zhuǎn)錄和翻譯、八溴聯(lián)苯醚(octaBDE)和四溴鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯(BEH-TEBP)會(huì)影響鞘磷脂合成機(jī)制、BZ54干擾Wnt和Hedgehog信號(hào)通路及糖胺聚糖降解、而溴化的FM550系列化合物顯著改變mRNA且影響大型溞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取和利用。

3 展望(Prospect)

作為一門新興的學(xué)科，脂質(zhì)組學(xué)依賴于高通量、高分辨率的分析技術(shù)與完整的生物信息學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，在環(huán)境領(lǐng)域的研究取得了一定進(jìn)展。但到目前為止脂質(zhì)組學(xué)的研究仍存在很多挑戰(zhàn)：

1)目前仍沒(méi)有樣品(尤其是極性強(qiáng)、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定及易分解)制備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有樣品分析的統(tǒng)一技術(shù)[76-77]。任何一種分析技術(shù)都不能同時(shí)對(duì)脂質(zhì)組中的所有化合物進(jìn)行分析，只能通過(guò)選擇性結(jié)合各類分析技術(shù)。而儀器設(shè)備范圍和分析誤差的存在又給脂質(zhì)組學(xué)分析增加了挑戰(zhàn)。

2)與其他組學(xué)類似，脂質(zhì)代謝物鑒定仍是脂質(zhì)組學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。盡管前面提及近年來(lái)已經(jīng)建立和開(kāi)發(fā)了大量數(shù)據(jù)庫(kù)，但是這些數(shù)據(jù)庫(kù)幾乎都沒(méi)有全面覆蓋所有的脂質(zhì)組。同時(shí)，準(zhǔn)確定量生物體內(nèi)的各種脂質(zhì)化合物仍然存在爭(zhēng)議[78]。

3)鑒定出脂質(zhì)生物標(biāo)志物后，如何解釋所觀察到的變化對(duì)生物體的生物學(xué)意義具有一定的挑戰(zhàn)。生物信息學(xué)技術(shù)是分析脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的有效工具[79]，脂質(zhì)代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)研究所涉及的數(shù)據(jù)整合、代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)的繪制均需依賴其完成。而生物信息學(xué)技術(shù)目前仍處于初步階段，需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善[7]。

4)脂質(zhì)組學(xué)與其他組學(xué)結(jié)合的多組學(xué)技術(shù)是一種強(qiáng)有力的工具，其高通量篩選特征為研究外界干擾對(duì)生物體的刺激提供新的視角，成為毒理學(xué)發(fā)展的新趨勢(shì)。然而歐洲化學(xué)品生態(tài)毒理學(xué)和毒理學(xué)中心(European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, ECETOC)指出多組學(xué)應(yīng)用于有毒有害化學(xué)品的監(jiān)管評(píng)估仍不能滿足諸如REACH法規(guī)的基本要求，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的方法[80-81]。多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于有毒有害化合物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍存在一些挑戰(zhàn)，亟需科研工作者共同努力使其更好地為環(huán)境領(lǐng)域研究服務(wù)。