脂質(zhì)組學在環(huán)境領(lǐng)域中的應用

熊倩，胡立新，蔣宇霞，應光國,*

1. 中國科學院廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室，廣州 510640 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 華南師范大學環(huán)境研究院 廣東省化學品污染與環(huán)境安全重點實驗室&環(huán)境理論化學教育部重點實驗室，廣州 510006

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

脂質(zhì)是自然界中存在的一大類溶于有機溶劑而不溶于水的、在化學成分及結(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)被細分為8個大類：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功能，其不僅可以作為能量的來源為生物體提供能量，同時還是細胞膜的骨架成分，幫助維持細胞膜的正常功能。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)分子本身還是信號分子，在細胞信號傳導過程中發(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、動脈粥樣硬化等，通過分析脂質(zhì)的變化并鑒定脂質(zhì)生物標志物，可以為疾病的預防和診斷提供策略[5]。細胞耐受環(huán)境脅迫、適應環(huán)境變化過程中脂質(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，反映了生物體對外界環(huán)境變化的響應機制和適應能力[6]。本文就脂質(zhì)組學的研究方法及其在環(huán)境領(lǐng)域中的應用進行概述，主要側(cè)重于脂質(zhì)組學及其與其他組學聯(lián)用的多組學技術(shù)在環(huán)境脅迫耐受性、環(huán)境污染物毒性評價等方面的應用。

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

脂質(zhì)組學研究受到重視的同時，大量先進技術(shù)的發(fā)展及研究方法的改進，推動了脂質(zhì)組學的快速發(fā)展。脂質(zhì)組學的研究主要包括：脂質(zhì)的提取、脂質(zhì)的分離、脂質(zhì)的分析檢測及相關(guān)生物信息學技術(shù)[7]，實驗流程見圖1[8]。

1.1 脂質(zhì)的提取

脂質(zhì)分析檢測時，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脂質(zhì)測定的干擾，樣品上機前必須經(jīng)過提取。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)上進行了改進，通過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試劑作為洗脫液洗脫或加熱解吸，以達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等基團鍵合的固相萃取柱，以及離子交換柱和吸附樹脂柱等[14-15]。在脂質(zhì)組學研究中，采用哪種方法更能有效地提取脂質(zhì)，取決于實驗的目的：對于非靶向代謝組學研究，液液萃取能夠提取多種脂類化合物；對于靶向代謝組學研究，固相萃取則更為高效且特異性強[16]。除了液液萃取和固相萃取外，近年來脂質(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

質(zhì)譜、核磁共振以及其他的光譜分析法是用于脂質(zhì)組學研究的主要分析手段，大致可以歸納為三類：基于直接進樣的質(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。直接進樣的質(zhì)譜分析法，準確度高、重復性強且節(jié)約時間，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)將幾種檢測方法的利弊進行比較，如表1所示。其中任何一種分析方法幾乎都無法同時檢測細胞內(nèi)成千上萬種脂質(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)物并擴大研究對象的范圍。因此，為了更好地研究脂質(zhì)組學，有必要將多種分析方法聯(lián)用以期有效擴大脂質(zhì)組學的研究范疇。脂質(zhì)組學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)常與飛行時間質(zhì)譜(Time-of-Flight, TOF-MS)聯(lián)用，可以有效地同時分析多種化學性質(zhì)不同的化合物，包括有機酸、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)點在于數(shù)據(jù)庫較健全，這使得代謝產(chǎn)物的鑒定相對容易些；然而應用GC-MS時，如若目標化合物難揮發(fā)，需要對其進行衍生化，而衍生化又會引入很多雜質(zhì)化合物。LC-MS因其具有較高的靈敏度且適宜測定極性范圍及分子量范圍更廣的化合物，近年來廣泛應用于脂質(zhì)組學研究。較GC-MS而言，LC-MS無需衍生化，但其最大的缺陷在于數(shù)據(jù)庫不夠全面，限制了非靶向代謝組學研究中代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定。綜上所述，對于脂質(zhì)的分析檢測方法需根據(jù)實驗目的以及受試對象性質(zhì)，綜合多方因素選擇較優(yōu)的方法。

1.3 脂質(zhì)組學的數(shù)據(jù)處理

與其他組學一樣，脂質(zhì)組學得到的也是大量的、多維的數(shù)據(jù)，需要利用化學計量學和生物信息學的方法來解釋各種分析平臺產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)計算時常需要對不同時間或不同方式處理后采集的樣品進行分類，常采用的分析技術(shù)是模式識別(Pattern Recognition)，它是一個獲得、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程，其核心思想就是進行多元數(shù)據(jù)投影分析，迅速、準確地從數(shù)據(jù)中提取有效信息并提供有效的診斷和可視化工具。模式識別技術(shù)包括非監(jiān)督(Unsupervised)學習方法和有監(jiān)督(Supervised)學習方法[31]。非監(jiān)督學習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)督學習方法用于建立類別間的數(shù)學模型，使各類樣品間達到最大的分離，從而準確找到輸入與目標化合物之間的關(guān)系。應用于該領(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)組學迅猛發(fā)展的同時，逐步建立起了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫能夠查詢脂質(zhì)物質(zhì)名稱、分類、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)譜信息以及試驗信息等，其功能也越來越完善。而數(shù)據(jù)庫的建立及完善又進一步地加速了脂質(zhì)組學自身的發(fā)展。其中最大的數(shù)據(jù)庫LIPID Maps，是2003年由美國國立綜合醫(yī)學研究機構(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個大類、276個亞類脂質(zhì)化合物的結(jié)構(gòu)信息[34]。除此之外，不少國家和科研團隊也建立了自己的數(shù)據(jù)庫[35-36]。代謝組學的分析軟件及數(shù)據(jù)庫也可用于脂質(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)組學數(shù)據(jù)庫如表2所示。

2 脂質(zhì)組學的應用(Application of lipidomics in environmental research)

脂質(zhì)組學是用于研究生命科學的有效工具，隨著研究的不斷深入發(fā)展，其廣泛應用于各個領(lǐng)域，如，醫(yī)學領(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價、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)組學在環(huán)境領(lǐng)域的應用。

2.1 脂質(zhì)組學在環(huán)境領(lǐng)域中的應用

脂質(zhì)組學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。脂質(zhì)組學憑借其定位于終端代謝物的優(yōu)勢，探究外源刺激對生物體的精細影響，篩選出的生物標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制提供有力信息。因此，脂質(zhì)組學在環(huán)境領(lǐng)域中的應用越來越普遍，可概括為2個方面：1)環(huán)境脅迫耐受性的評價；2)污染物暴露研究及其毒性評價。

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

2.1.1 脂質(zhì)組學在環(huán)境脅迫耐受性中的應用

環(huán)境脅迫條件如鹽度、溫度、pH、營養(yǎng)鹽等因素均會引起機體的應激反應，目前研究者們以不同植物(微藻、擬南芥等)和動物(老鼠、魚、人等)為模式生物展開了一系列脂質(zhì)組學研究。發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)組學方法可以實時監(jiān)測外界環(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)組學用于研究NaCl脅迫條件下微藻的生理響應機制，其通過GC-MS分析技術(shù)并結(jié)合多元統(tǒng)計方法分析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志物鑒定，發(fā)現(xiàn)6種脂肪酸生物標志物(C16:0、C16:3、C18:0、C18:1、C18:2和C18:3)，它們有助于減緩細胞膜流動性和滲透性進而增強雪衣藻對高鹽度的耐受性。Lu等[40]隨后利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜(UPLC/QTOF-MS)技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計方法進一步分析NaCl脅迫條件下雪衣藻的脂質(zhì)組分變化及鑒定脂質(zhì)生物標志物，篩選出7個大類35種極性脂質(zhì)作為相應NaCl脅迫的脂質(zhì)生物標志物。其結(jié)果是對GC-MS分析脂肪酸結(jié)果的補充，進一步解釋和闡述雪衣藻適應NaCl脅迫條件的脂質(zhì)代謝分子調(diào)節(jié)機制。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。溫度對于植物的生長至關(guān)重要，過低或過高都會影響其生長，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)低溫刺激下會造成其葉片脂質(zhì)積累，但發(fā)生變化的大多數(shù)是長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)組學的方法研究了短期高溫暴露對擬南芥葉膜的影響，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)組學方法研究了小鼠響應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)組學分析運動前后小鼠肝臟和肌肉中脂質(zhì)成分的變化，結(jié)果表明耐力運動后肝臟中游離脂肪酸會增加，而快速運動后三酰甘油酯增加；經(jīng)運動后肌肉中三酰甘油酯減少，可能是由于運動導致脂肪酸氧化引起。Yan等[46]第一次將脂質(zhì)組學應用于研究魚類對復雜環(huán)境的生理響應，利用UPLC/QTOF-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱帶風暴后網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的大黃魚和石斑魚發(fā)生了不一樣的生理響應，恢復期大黃魚的生化指標變化明顯。進一步的脂質(zhì)生物標志物鑒定發(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，表明恢復的過程中需要消耗較多的能量且會持續(xù)有嚴重的炎癥。Gorrochategui等[47]采用非靶向脂質(zhì)代謝組學結(jié)合化學計量學研究人體胎盤細胞對外源有害物質(zhì)的響應，生物標志的鑒定闡明了細胞對外界刺激的應答。

2.1.2 脂質(zhì)組學在污染物暴露研究及其毒性評價中的應用

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

近年來，也有報道將脂質(zhì)組學技術(shù)應用于有機化合物的毒性效應研究。持久性有機污染物(POPs)具有亞慢性毒性，采用脂質(zhì)代謝組學對其毒性效應進行評估能夠進一步認識其毒性作用機制。Kania-Korwel等[57]用脂質(zhì)組學方法研究了小鼠對多氯聯(lián)苯(PCB 126)暴露的響應，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關(guān)系，其含量隨著暴露濃度增加；同時他們還鑒定出了13個大類362種極性脂和15個大類607種TAG發(fā)生明顯改變。Nault等[58]基于非靶向脂質(zhì)組學的研究方法探討2,3,7,8-TCDD暴露對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，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)組學分析全氟化合物(PFOS)暴露對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，說明PFOS暴露會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制(氧化還原、脂肪酸β氧化、輔酶A的生物合成機制等)。Jungnickel等[60]應用脂質(zhì)組學研究低劑量多環(huán)芳烴類苯并[a]芘(BaP)和重金屬Cd及其聯(lián)合暴露對乳腺癌細胞MCF-7的影響，發(fā)現(xiàn)18種脂質(zhì)代謝生物標志物足以建立多元統(tǒng)計學模型區(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60 d，利用GC-MS和穩(wěn)定同位素技術(shù)研究斑馬魚肝臟組織中脂肪酸響應DDT的變化，發(fā)現(xiàn)多元不飽和脂肪酸(C20:3n3、C20:4n6、C22:6n3)減少，飽和長鏈脂肪酸(C16:0、C18:0)及單不飽和長鏈脂肪酸(C18:1n9)增加；且小鼠肝臟中脂肪酸組成的變化與組織病理學中發(fā)現(xiàn)的肝臟形態(tài)變化的結(jié)果一致。進一步分析發(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)組學應用于環(huán)境中常見的有機污染物毒性評價及風險評估。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)組學方法研究環(huán)境濃度BPS暴露對巨噬細胞的毒性作用機制，研究發(fā)現(xiàn)鞘磷脂-神經(jīng)酰胺信號通路、甘油磷脂和甘油糖脂生物合成和降解受到嚴重影響。Huang等[63]采用脂質(zhì)組學的方法研究4種環(huán)境濃度的個人護理品(醋氨酚、苯海拉明、卡馬西平及氟西汀)對斑馬魚的毒性效應，以期深入了解外源化合物對斑馬魚的影響以及斑馬魚響應干擾的分子生物學機制。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 多組學聯(lián)用

細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)系又決定了信號通路和一些復雜的性狀，包括介導著生物體適應環(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制，需要對這些過程所涉及的生物分子進行全面且有代表性的分析[65]。為了揭示生物過程間的復雜關(guān)系，相繼開展了基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等研究，然而單一的組學研究針對的是單一類型的分子，無法準確解釋分子間復雜的關(guān)系，多組學聯(lián)用技術(shù)應運而生。多組學是大規(guī)模研究生物體內(nèi)基因(基因組學和表型基因組學)、轉(zhuǎn)錄(轉(zhuǎn)錄組學)、蛋白質(zhì)(蛋白組學)、代謝產(chǎn)物(代謝組學)、脂質(zhì)(脂質(zhì)組學)等受外界刺激引起的變化，通過對目標物進行定性定量分析，鑒定生物標志物并研究其功能及各種分子之間的相互關(guān)系，進而闡明發(fā)生反應的信號通路及代謝網(wǎng)絡(luò)[66]。國內(nèi)代謝組學研究的專家許國旺研究員曾對各組學的作用進行了如下總結(jié)：基因組學反映什么是可以發(fā)生的，轉(zhuǎn)錄組學反映什么是可能要發(fā)生的，蛋白組學反映什么是賴以發(fā)生的，而代謝組學則反映什么是已經(jīng)發(fā)生[67]。多組學結(jié)合對于闡明生命的奧秘具有重要意義。多組學作為一個較新的研究方向，在過去的數(shù)十年迅猛發(fā)展，尤其在生物科學及生物醫(yī)學領(lǐng)域獲得了廣泛應用[68]。在環(huán)境領(lǐng)域，應用多組學技術(shù)可以深入了解外源刺激下生物體在生物化學及生理層面的變化，全面地揭示生物體對于外源干擾的響應機制。毒理學研究中多組學技術(shù)可用于鑒定一系列負反應的生物標志物，進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制(MoAs)[69]。

Lu等[70]采用基于尼羅紅染色的細胞組學(流式細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)組學結(jié)合的方法研究了NaCl脅迫條件下雪衣藻(Chlamydomonasnivalis)的響應。研究發(fā)現(xiàn)：NaCl暴露7 h時總脂、中性脂及極性脂含量達到最大值，同時鑒定出了NaCl脅迫下與細胞膜穩(wěn)定性、信號傳導及光合作用速率相關(guān)的7個大類22種脂質(zhì)生物標志物。Mandelli等[71]為了探究極端微生物絲狀棲熱菌(Thermusfiliformis)對高溫環(huán)境的響應機制，通過轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學及代謝組學多組學結(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，葡萄糖的代謝主要通過磷酸戊糖途徑而不是糖酵解途徑，蛋白質(zhì)的分解、氧化應激反應及氨酰tRNA合成酶的復制等過程均與絲狀棲熱菌的耐熱機制有關(guān)。

多組學技術(shù)還可以應用于研究重金屬、有機污染物等潛在污染物對生物體的毒性作用機制以及風險評估。Santos等[72]采用轉(zhuǎn)錄組學和脂質(zhì)組學聯(lián)合的方法研究環(huán)境濃度Cu(3.2～128 μg·L-1)暴露對三刺魚(Gasterosteusaculeatus)的毒性影響機制，轉(zhuǎn)錄組學分析發(fā)現(xiàn)Cu會引起活性氧的產(chǎn)生及氧化磷酸化而對三刺魚產(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)錄組學的結(jié)果匹配。同年，Williams等[73]采用轉(zhuǎn)錄組學和脂質(zhì)組學聯(lián)合的方法探討環(huán)境濃度的多環(huán)芳烴類(二苯蒽，DbA)對三刺魚(Gasterosteusaculeatus)的影響機制，從分子調(diào)控和生物功能層面揭示了DbA對三刺魚的干擾，DbA誘導細胞色素P450酶相關(guān)基因的表達，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種組學聯(lián)合評估污水處理廠廢水及源自工業(yè)園區(qū)的混合化學廢水對小鼠的毒性影響，為化學工業(yè)園區(qū)的環(huán)境健康風險評估篩選合適的生物標志物。自1970s以來阻燃劑在人們的日常生活中穩(wěn)步增加，傳統(tǒng)阻燃劑對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較少。Scanlan等[75]于2015年采用基因轉(zhuǎn)錄組學、基于NMR技術(shù)的代謝組學和脂質(zhì)組學多組學結(jié)合方法研究了7種新型阻燃劑對大型溞的毒性機制，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)會影響鞘磷脂合成機制、BZ54干擾Wnt和Hedgehog信號通路及糖胺聚糖降解、而溴化的FM550系列化合物顯著改變mRNA且影響大型溞營養(yǎng)物質(zhì)的攝取和利用。

3 展望(Prospect)

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

1)目前仍沒有樣品(尤其是極性強、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定及易分解)制備的統(tǒng)一標準，沒有樣品分析的統(tǒng)一技術(shù)[76-77]。任何一種分析技術(shù)都不能同時對脂質(zhì)組中的所有化合物進行分析，只能通過選擇性結(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)組學分析增加了挑戰(zhàn)。

2)與其他組學類似，脂質(zhì)代謝物鑒定仍是脂質(zhì)組學的一個關(guān)鍵問題。盡管前面提及近年來已經(jīng)建立和開發(fā)了大量數(shù)據(jù)庫，但是這些數(shù)據(jù)庫幾乎都沒有全面覆蓋所有的脂質(zhì)組。同時，準確定量生物體內(nèi)的各種脂質(zhì)化合物仍然存在爭議[78]。

3)鑒定出脂質(zhì)生物標志物后，如何解釋所觀察到的變化對生物體的生物學意義具有一定的挑戰(zhàn)。生物信息學技術(shù)是分析脂質(zhì)組學數(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。而生物信息學技術(shù)目前仍處于初步階段，需要進一步的發(fā)展和完善[7]。

4)脂質(zhì)組學與其他組學結(jié)合的多組學技術(shù)是一種強有力的工具，其高通量篩選特征為研究外界干擾對生物體的刺激提供新的視角，成為毒理學發(fā)展的新趨勢。然而歐洲化學品生態(tài)毒理學和毒理學中心(European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, ECETOC)指出多組學應用于有毒有害化學品的監(jiān)管評估仍不能滿足諸如REACH法規(guī)的基本要求，缺乏標準化的方法[80-81]。多組學技術(shù)應用于有毒有害化合物的風險評估仍存在一些挑戰(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)。