第三节 利用组学技术研究毒性机制

一、概述

现代毒理学新技术包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，分别在基因水平、蛋白质水平和机体代谢改变三个层次研究毒性作用机制。这些技术最明显的优点是“无偏差”，并依赖于技术能力和样品制备方法。

二、毒理基因组学分析

毒理基因组学研究可以在短时间内提供海量的毒理学信息、可以在动物未出现病理变化的情况下预知毒性反应、提供可靠的动物种属外推信息，而这些都是传统毒理学方法难以解决的问题。毒理基因组学可以大大降低动物消耗、研究经费和时间，是一种有效的毒理学机制研究方法。

技术手段如下所述：

（1）全基因组谱分析 全基因组技术可以同时检测基因组的全部转录本，并可通过全部转录本的检测发现药物在没有造成明显生理改变的情况下对生物体的影响，对可能的作用机制提供综合分析，而且可以发现新的生物标志物。目前，可采用基因芯片技术和基因组测序技术实现全基因组谱分析。①基因芯片技术，基因芯片又称基因微阵列，是一种高通量测定基因表达的方法，其基本原理是核酸杂交，基本构件是由DNA片段或寡聚核苷酸组成的微点阵，可以把成百上千甚至几万寡聚核苷酸或DNA片段精确、自动地排列在硅片、玻璃片、聚丙烯或尼龙膜等固相载体上组成了基因芯片。基因芯片具有高通量、微型化、标准化的特点；②新一代基因组测序：基因组测序是指对DNA中的碱基序列进行测定的过程。

（2）表观遗传学分析 表观遗传学研究的是在不改变DNA序列的前提下，某些机制所引起的可遗传的基因表达或细胞表现型的变化。主要包括两个方面内容：一类是基因选择性转录表达调控，如DNA甲基化、基因印迹、组蛋白共价修饰、染色质重塑；另一类是基因转录后的调控，包含基因组中非编码的RNA、微小RNA、反义RNA等。

（3）单核苷酸多态性分析 单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）是指基因组中由单个核苷酸的变异引起的DNA序列多态性。SNP在人类组织广泛存在，如果这些核苷酸处于外显子的位置，可能引起基因功能的巨大差异，如果这种差异出现在调控毒性反应的基因上，将会使个体对化学毒物产生耐受或易感。SNP通常采用基因分型的方法来检测。

三、转录组学研究毒性机制

转录组谱分析：转录组指的是一个细胞中的全部RNA分子，包括信使RNA、核糖体RNA以及非编码RNA。转录组谱分析可以比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病状态的基因表达模式的差别，描绘细胞或组织在特定状态下的基因表达种类和丰度信息。目前，用于转录组数据获得和分析的方法主要有芯片技术、SAGE技术和大规模平行信号测序系统。

四、毒理蛋白质组学分析

蛋白质组是指特定的时间或空间内特定的细胞、组织、体液或特定的环境下基因组编码的全部蛋白质，而蛋白质组学（proteomics）是定量检测蛋白质水平改变，从而在整体水平上研究细胞内蛋白质组成及其活动规律（表达水平，翻译后修饰，相互作用）的学科。毒理蛋白质组学（toxicoproteomics）是将“全景”蛋白质表达技术应用于毒理学研究的一门学科，是毒理学与蛋白质组学的交叉学科，是蛋白质组学在毒理学中的应用。毒理蛋白质组学以组织、细胞或体液中动态变化的蛋白质表达为基础，通过比较、鉴定与分析手段，来识别外源性化学物作用于生物系统产生的毒效应靶器官及可能的毒性作用机制。

毒理蛋白质组学的技术手段主要以电泳技术（双向凝胶电泳、双向荧光差异电泳）及色谱技术（二维/多维液相色谱技术）为基础，结合色谱级生物信息技术，形成了毒理蛋白质组学研究的核心技术体系。活性探针及蛋白质微阵列技术也大量应用于寻找药物的毒性作用靶器官。此外，蛋白质翻译后修饰的分析、蛋白质－蛋白质相互作用、蛋白质的活性与亚细胞分布也越来越受到各国科学家的重视，并逐步应用于药物毒理学的研究中。

目前，毒理蛋白质组学的应用主要包括两个方面：一是机制性研究，即从蛋白质角度研究外源性化学物对机体可能的毒性作用机制；二是筛选与预测毒作用靶标，即筛选特定的蛋白质作为外源性化学物危险性评价的生物标志物。

五、毒理代谢组学

代谢组学（metabonomics，metabolomics）是指通过分析生物的体液、组织中的内源性代谢物谱（metabonome，代谢组或代谢物图谱）的变化来研究整体的生物学状况和基因功能调节的现代生物医学分支学科。毒理代谢组学（toxicometabonomics）是代谢组学与毒理学交叉融合而成的新的毒理学分支，是当前毒理学的研究热点。毒理代谢组学通过分析与毒性作用靶位和作用机制密切相关的内源性代谢物浓度的特征性变化，可以确定毒性靶组织、毒性作用机制以及生物标志物等。该技术可以无伤害地观察生物体的生理、病理状态，动态评价外源化学物的毒性效应，在毒理学研究领域特别是药物毒理学领域展现出极大的应用价值和广阔的发展前景。

毒理代谢组学的技术流程包括生物样本的采集与处理、代谢物的检测分析、数据分析与处理以及生物学意义的阐释等方面，其技术平台涵盖了获得大量信息的检测技术和处理海量数据的计算技术。对获得的样品中所有代谢物进行分析鉴定是毒理代谢组学研究的关键步骤，毒理代谢组学的分析技术主要包括代谢物的分离、检测及鉴定两部分。分离技术通常有气相色谱分析、液相色谱、毛细管电泳等；检测及鉴定技术通常有核磁共振、色谱和质谱、光谱（红外光谱、紫外光谱、荧光光谱）、电化学等。分离技术与检测和鉴定技术的不同组合就构成了各种主要的毒理代谢组检测分析技术，如GC－MS、LC－MS、CE－MS等。

（范玉明）