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介绍

代谢组学是对生物系统中细胞内和细胞外代谢物谱的研究，从中可以系统地了解细胞、组织或生物体的分子生理学。因此，代谢组学在疾病诊断/药物反应的生物标志物发现和响应扰动的代谢途径分析中发挥着重要作用。代谢组学常用的分析平台，如质谱（MS）和核磁共振（NMR），可以检测特定时刻体内复杂代谢后代谢物的总量，但无法准确识别代谢物的具体代谢途径。目前，为了克服此类问题并进一步研究代谢组学，引入稳定同位素标记的化合物作为示踪剂来描绘代谢途径并追踪细胞代谢物中的元素命运。该技术也称为稳定同位素辅助代谢组学（SIAM）。

同位素标记方法

代谢组学中不同生物体代谢物的检测和细胞内代谢通量的定量可以通过用稳定同位素标记的化合物对生物体进行同位素标记来实现。同位素标记方法包括同位素稀释（或富集）、同位素示踪和13 C 指纹分析。详细信息如下并如图1所示。

同位素稀释（或富集）：该方法简要描述如下。生长细胞用多种碳源标记（其中一些被标记），然后测量代谢产物的标记情况。该方法用于研究细胞营养利用。

同位素示踪：该方法简要描述如下。将细胞培养物暴露于标记化合物，然后测量下游代谢物中标记随时间的变化。该方法允许同位素非平稳代谢通量分析来量化细胞通量组。

13 C-指纹识别：该方法简要描述如下。使用指定的标记13 C 底物创建稳态并定位代谢物中的特定标记模式，从而描绘功能途径。该方法允许13 C 代谢通量分析来量化细胞通量组。

图 1 用于代谢分析的同位素标记方法。

应用领域

同位素标记化合物在代谢组学中的实际应用范围广泛。详情如下。

跟踪营养利用情况分析：丰富的培养基含有促进细胞生长和产物合成的瓶颈营养。当在丰富的培养基中提供13 C 标记的化合物时，从底物重新合成的代谢物将被标记，而源自培养基中未定义的营养物的代谢物则不会。因此，生物源和外源代谢物中的13 C 标记可以识别未从主要底物有效合成的必需营养素。它在疾病诊断和病理分析的医学研究中具有特殊的价值。

代谢物鉴定：由于标记同位素可通过 m/z 比与天然同位素区分开，因此用13 C 和15 N 标记化合物标记的生物样品通常有助于代谢物分析。

代谢物定量分析：即使在样品降解和仪器变化的噪音下，也可以使用稳定同位素标记的代谢物作为内标来确定代谢物浓度。

通路研究：稳定同位素标记的化合物广泛用于确认或发现功能通路。例如，通过使用 2- 13 C 甘油对其代谢物进行指纹识别，在蓝藻中发现了不依赖于苏氨酸的异亮氨酸合成途径。稳定同位素标记的化合物也已用于阐明网络范围的代谢途径。例如，将 U- 13 C 谷氨酰胺或胺标记的 α- 15 N 谷氨酰胺与未标记的葡萄糖一起供应到细胞培养物中，以对下游代谢物进行指纹分析，以分析 A549 人肺癌细胞中的谷氨酰胺代谢。

微生物群落的代谢分析：微生物群落中的物种具有复杂的营养相互作用。在生态学中，稳定同位素标记的化合物被广泛用于确定微生物群落种群和碳同化模式。例如，将13 C-甲苯喂入微生物群落后，通过分析13 C-脂肪酸并对13 C-标记的 16S rRNA 进行测序来鉴定甲苯降解微生物。