代谢组学在动物营养学和饲料代谢组学在动物营养学和饲料研究中的应用前景研究中的应用前景天津市畜牧兽医研究所

王文杰

学科的发展学科的发展

生命现象蕴含着海量的信息生命现象蕴含着海量的信息

细胞细胞

基因基因

蛋白质

蛋白质

三羧酸循环

三羧酸循环

学科发展及关系学科发展及关系

生物学和计算机科学的迅速发展催生了生物信息学生物学和计算机科学的迅速发展催生了生物信息学

在生命科学研究中，以计算机为工具对生在生命科学研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。物信息进行储存、检索和分析的科学。

目前，生物信息学主要研究对象是基因目前，生物信息学主要研究对象是基因的核酸序列和蛋白质氨基酸序列数据。的核酸序列和蛋白质氨基酸序列数据。

生物信系学发展历程生物信系学发展历程

生物学中“组”的概念生物学中“组”的概念

““ 组”来源于希腊语组”来源于希腊语 omeome ，意指所，意指所有、每个或全部；有、每个或全部；

以它为后缀最初用于基因组以它为后缀最初用于基因组genomegenome ，指一个物种的全部遗传组，指一个物种的全部遗传组成；成；

自基因组学概念提出之后，带组学自基因组学概念提出之后，带组学（（ -omics-omics ）的概念已出现）的概念已出现 200200 多种。多种。

代谢组学的基本概念代谢组学的基本概念

代谢组学的创建代谢组学的创建

普遍认为代谢组学的概念是英国帝国理工大学普遍认为代谢组学的概念是英国帝国理工大学的的 Jeremy KJeremy K ，， NicholsonNicholson 教授于教授于 19991999年首先提出来的。年首先提出来的。NicholsonNicholson 因为他在代谢组学发展上的开拓因为他在代谢组学发展上的开拓性贡献，被学术界公认为代谢组学创始人（代性贡献，被学术界公认为代谢组学创始人（代谢组组学之父）。谢组组学之父）。

代谢组学的定义代谢组学的定义 目前国际上有两种代谢组学定义。目前国际上有两种代谢组学定义。

Nicholson 等定义“生命体系对病理生理刺激或遗传修饰所产生的动态、多指标代谢响应的定量测定”为 metabonomics 。Oliver Fiehn 定义“全面、定量分析生物体系中所有代谢物”为 metabolomics 。

代谢组学的定义代谢组学的定义Metabonomics ，国内翻译成代谢组学代谢组学。对生物系统进行的整体和动态的认识，主要将核磁共振技术应用于健康与疾病研究，多以来自动物的样品为研究对象。Metabolomics ，国内翻译成代谢物组学代谢物组学。强调分析而且是静态的认识概念，主要应用色质联用等分析技术，多用于植物和微生物领域的研究。

代谢组学的定义代谢组学的定义中科院大连化学物理研究所的许国旺研究员认为上述两者的研究对象都是代谢物，并没有本质区别，它们都可称为代谢组学。

代谢组学的特点代谢组学的特点代谢组学是系统生物学重要组成部分。细胞内许多生命活动是发生在代谢物层

面的，如细胞信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的。

代谢物更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密切相关。

代谢组学的特点代谢组学的特点基因组学和蛋白质组学告诉你什么可能

会发生，而代谢组学则告诉你什么确实发生了。

基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到放大 , 使检测更容易。

代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法

真正意义的代谢组学研究。真正意义的代谢组学研究。预处理和检测技术需满足高预处理和检测技术需满足高灵敏度、高选择性和高通量灵敏度、高选择性和高通量的要求。需要对获得的数据的要求。需要对获得的数据进行解析。进行解析。

OliverOliver FiehnFiehn 代谢物分析代谢物分析 44 个层次个层次代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。代谢轮廓分析。对预设组分的分析。代谢轮廓分析。对预设组分的分析。代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。

代谢组学研究流程代谢组学研究流程

代谢组指一个细胞、组织或器官中所有代谢组分的集合，尤其指分子质量为1,000 以下的小分子物质。

代谢组学常用的分析手段代谢组学常用的分析手段• 核磁共振技术（ NMR ），能够对样品实现

非破坏性、非选择性分析。它是唯一既能定性 , 又能在微摩尔范围定量有机化合物的技术。缺陷是灵敏度相对较低 , 不适合分析低浓度代谢物。

• 色谱技术具有分离性能好、灵敏度高等特点，被广泛用于复杂体系中的成分分析。但在色谱峰识别和方法的重现性方面仍存在难以克服的问题。

代谢组学常用的分析手段代谢组学常用的分析手段• 质谱 (MS) 或与色谱联用技术具有普适性、

高灵敏度和特异性等特点，已经在代谢组学研究中成为首选技术。

• 更先进的检测方法是电喷雾四级杆飞行时间质谱（ Q-TOF ）技术，能够快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量。

数据分析数据分析 和其它组学研究一样，处理、分析和管理代谢组学海量数据需要专门的数学、统计和生物信息学工具。近年来 , 一些分析仪器厂商和研究者们已开发出数十种代谢组学数据处理软件。也有人开发了适合多种仪器的代谢组学分析软件。

代谢组学研究的主要应用领域代谢组学研究的主要应用领域

热点年份代谢组学的相关高频被引文章 ，这些文章影响着学术发展的潮流代谢组学的发展与药物研究开发，被引 28  次；代谢组学在中医药复杂理论体系研究中的应用 ，被引 27  次；大鼠肝郁脾虚证的代谢组学研究 ，被引 10  次。

健康与疾病诊断 中药药理、毒理

药效筛选

医学领域医学领域

代谢组学有望彻底揭开中药的奥秘

营养学领域营养学领域

膳食营养评价

临床营养

猫的营养

动物营养和饲料研究中的应用前景动物营养和饲料研究中的应用前景

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 营养学– 研究的是生命体摄取、消化、吸收、转化和利

用环境中外源有用物质来 维持基本生命 活动，进行细胞或机体生 长、发育和繁殖，合成排出体外物质和修 补组织等过程过程，以阐明生命活动的本质，并 通过营养过程的调控来维持生物系统系统的平衡。

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 在动物营养学中，营养物质代谢的生理、

生化机制是最基本和重要的研究内 容。• 代谢组学可以为我们的研究工作提供一些新的技术路线，以达到以前难以实现的目的。

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 代谢组学可应用于营养调控机理研究。• 诸如环境条件变化、营养供给量和饲养管

理方案等因素引起的动物体内代谢变化都可以用代谢组学方法来深入阐明。

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 可以用代谢组学方法考察营养供给量对免疫机能的影响，揭示营养物质的代谢机理，对营养素缺乏或过剩造成的危害进行机理分析。

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 代谢组学更有可能的用途是动物营养需要

的辅助评价。• 用代谢组学的方法构建基于代谢标 志物参

数的营养需要量评估模型，代替传统的生物法以实现大量重复数据的采集与分析，为精细养殖技术提供新的技术支持。

在动物营养学研究中的应用前景在动物营养学研究中的应用前景• 特殊状态下的营养需要评估，更需要代谢

组学这样的工具。如热应激状态下奶牛维生素需要量基于代谢组学的 评估模型。

• 代谢组学对建立动态营养需要评价体系会非常有帮助。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 代谢组学可以应用于天然物等新添加剂作

用机制研究。• 来自饲用或药用植物的提取物中有效成分

多数为小分子物质， 通常称为植物源小分子物质，其生理 作用与中药相同。

• 研究它们的生理作用及其代谢机制，采用药物研究中代谢组学方法和思路是非常合适的。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 对饲用微生物在肠道定植和繁殖成优势菌群的最有效的评价，代谢组学方法有不可替代的优势。它能直接反映出动物体内代谢过程对益生菌的生理效应，这有利于揭开益生菌催促生长的机制之谜。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 对有毒饲料及其解毒方法、新饲料或新饲料添加剂和受污染的饲料需要进行毒理学试验以评价它们对饲喂动物的安全性和对人类动物源性食品的安全性。

• 以往三致试验是建立在传统的实验生物学基础上的评价方法，需要很长的周期，对毒物的代谢机制有时并不清楚，代谢组学正好可以弥补它们的缺陷。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 研究饲料加工方法对营养物质利用率影响也可以借助代谢组学方法。

• 饲料经过加工之后，其营养成分含量及其可消化性、抗营养因子的 作用程度都会有所变化。–如维生素等热敏感物质在经 过加工（如膨化、

高压、微波等）处理后会有所损失，大豆等饲料中的血球凝集素、胰蛋白 酶抑制因子等 会遭到不同程度的破坏，这些都会引起饲料营养价值和安全性的变化。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 饲料经不同加工条件（方法、参数）处理后，用代谢组学方法研究进食这种饲料与进食未加工的饲料动物代谢反应的效应，以准确评价加工方法的优劣。

• 特别是有毒饲料脱毒加工方法的效果评价更适合采用代谢组学的方法来进行研究。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 代谢组学用于饲料营养价值的辅助评价。• 饲料净能评价体系是最接近动物真实需要

的理想的能量评定方法。然而，测定饲料净能值是非常繁琐的事情，甚至需要使用造价昂贵的呼吸测热系统，测定成本高，大量重复分析需要消耗很大的人力财力，同时仍然摆脱不了动物个体差异造成的“测不准”现象。

在饲料研究中的应用前景在饲料研究中的应用前景• 代谢组学可以辅助饲料净能的评价。• 假设在供给动物的净能量达到平衡时，体液（血液或尿）中蛋白质、 脂肪和碳水化合物的代谢产物有一相对恒定值，我们就可以应用代谢自组学的方法，在能量总平衡、正平衡和负平衡状态下，通过测定多个标志物成分含量的变化，来建立有效能量评估模型，进而用于饲料净能值评定。

展望展望

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