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集成的“组学”方法可推动毒理学检测的发展

作者：Natàlia Garcia-Reyero
环境实验室、美国陆军工程师研发中心基因组学生物运算与生物技术研究所、密西西比州立大学

及 Mary T. McBride
安捷伦政府关系总监

生态毒理学是一个多学科领域。它结合了生态学和毒理学，研究有毒化学品对生物有机体的影响，特别是种群和生态系统水平的影响。由于该学科的工作必须建立在已知的毒性机制之上，如何确认动物健康状况变化的意义一直以来都是困扰生态毒理学家的问题。然而，“组学”技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）正在改变他们研究生态毒理学的方法。这些研究工具提供了一些很有价值的新视角，能让研究人员更好地理解作用的化学模式和细胞对刺激的反应。并且我们还能把化学暴露所引起的细胞扰动和传统的不良顶端结果联系起来。每一种“组学”技术都可获取重要的信息。用系统毒理学方法将不同类型的数据整合在一起能极大地丰富生物学背景，帮助研究人员了解复杂的生物系统。本文中，我们回顾了近期的一项使用整合“组学”方法的合作成果。

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图 1. 用不同浓度的法倔唑对黑头呆鱼进行不同时长的处理。收集每个时间点和剂量点的基因表达和代谢组学核磁共振谱信息，再用 Agilent GeneSpring GX 软件对数据集进行整合和分析

利用整合“组学”研究、探索和绘制通路

芳香酶是细胞色素 P450 超家族的一员，是一种在脊椎动物体内睾酮转化为雌二醇的过程中扮演重要角色的酶。有几项研究表明，芳香酶抑制剂会对鸟类、爬行动物和鱼类的繁殖以及性比产生潜在的不良作用。[1] Garcia-Reyero 及其合作伙伴采用了整合系统毒理学方法，结合了转录组学、代谢组学和网络推理等多种手段。为了了解芳香酶抑制剂的机制（图 1），[2] 研究团队在黑头呆鱼的水环境中加入了法倔唑（一种典型的芳香酶抑制剂），然后让鱼在清洁的水环境中进行恢复。整合系统毒理学的研究方法能对因适应和恢复过程而产生的变化进行检测，然后推断出转录水平和代谢水平上的联系。实验期间，每隔一段时间对样品进行一次数据收集。

实验使用了安捷伦定制的 15000 种特征微阵列芯片进行基因表达分析。[3] 然后将归一化数据导入 Agilent GeneSpring GX 生物信息学软件以识别差异表达基因 (DEG)。在整个实验过程中对 DEG 进行检测（每个时间点检测 39-112 个基因）。有两个基因在所有暴露时间点中均有表达，有 116 个基因（约为全部 DEG 的三分之一）在暴露和恢复阶段均有表达。对 DEG 的功能性富集分析显示，一共有 34 条受影响的通路；在暴露数据集中有 5 条共同通路，但在恢复阶段中并没有共同通路。

代谢组学部分采用了 Agilent Inova 的 600 MHz 1H 核磁共振进行捕获。光谱分析检测出了数种因法倔唑的影响而产生的代谢物。其中包括与卵巢的活力容量、氨基酸合成/蛋白质降解以及渗透调节物质有关的代谢物。

整合系统毒理学能帮助我们更深入地了解机理

为了了解各终点之间的相互作用，研究人员对转录组学和代谢组学数据集进行了整合，并检查它们之间的联系。在对非定向网络中基因表达数据和代谢物图谱的共有信息关联进行检查后发现，基因表达和高水平的法倔唑功能性影响关系密切。整合分析揭示了与暴露于法倔唑的黑头呆鱼卵巢内睾酮水平的升高相一致的基因表达的变化。此外，糖原和牛磺酸等代谢物也和睾酮水平的提升有重大关联。这些数据将体内和体外的类固醇合成数据整合在一起，表明类固醇合成酶（包括芳香酶）会进行积累，可作为芳香酶抑制剂的补偿机制。

新的系统毒理学方法将引领研究方向

我们对日益增长的大量生物学终点同时进行测量的能力，以及对基因、蛋白质和小分子如何在分子、细胞还有组织水平相互作用的科学理解，构成了毒性检测技术改革的基础，并且已经完成了风险评估。尽管如此，我们仍需克服诸多重大的挑战，才能让生态毒理学界足以驾驭这一能力，并运用日益加深的理解来告知风险评估结果。分子或者细胞水平下检测到的响应必须和个体或种群水平上观察到的不良顶端响应建立起可靠的联系。不过，系统毒理学的方法正预示着生态毒理学的新研究方法的到来。

安捷伦可提供多组学的解决方案

安捷伦的系统生物学解决方案解决了疾病研究和毒理学的各种挑战。为了帮您开启系统多组学探索之旅，安捷伦为您提供涵盖基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的分析解决方案，以及专为生物通路多组学数据整合而设计的最新版 GeneSpring GX 生物信息学软件。

参考文献

1. G.T. Ankley, et al. Toxicol. Sci., 2002, 67, 121-130.
2. N. Garcia-Reyero, et al. Gen. Comp. Endocrinol., 2014, 203, 193-202.
3. P. Larkin, et. al. Environ. Toxicol. Chem., 2007, 26, 1497-1506.

仅限研究使用。不可用于诊断目的。

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