发展准确定量技术揭示人类代谢表型 ——专访复旦大学人类表型组研究院唐惠儒教授

SCIEX

2020.5.22

随着人类基因组计划工作的完成，生物医学研究进入“后基因组时代”，科研界将关注点拓展至基因型与表型的关联。随着基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学等研究方法的不断发展及相关研究的深入，“表型组及表型组学”的概念应运而生。

相对于基因组学，人们对表型组学还比较陌生。那么，表型组学是如何诞生的？其研究对于生命科学的意义是什么？其中代谢分子表型的主要研究内容有哪些？

带着这些问题，近期媒体编辑特别采访了复旦大学人类表型组研究院的唐惠儒教授，与他进行了深入的交谈。

表型组学与

“国际人类表型组计划”

表型组是生物体形态、功能、行为、分子组成规律等所有生物学性状的集合，是生物体内除基因组外的另一半生命密码。表型组研究贯穿微观和宏观表型，研究基因与环境因素相互作用而影响表型形成的原理机制，寻找健康特征及疾病发生发展的表型组规律，为生物医学研究及应用提供新突破口。

相较于其他组学，表型组学是如何诞生的呢？唐教授娓娓道来：“回顾生命科学过去上百年的研究历程，其主要目标是要回答一个问题，即基因与表型的关系。早期，人们只聚焦一个表型对应一个基因，或者一个基因对应一个表型。然而诸多研究发现，一个基因可以对应多个表型，反之，一个表型也可以与多个基因有关。因此，生命科学研究的关键问题之一，便成为‘多个基因（基因组）与多个表型（表型组）’的关联规律。表型组包括宏观与微观表型，宏观表型必定有内在的微观表型（如分子表型），而分子表型则包括蛋白质组、代谢组等信息。”

那么，基因与表型的关系受到哪些因素影响？唐教授举了个例子：人类学研究早就告诉我们人类起源于非洲。然而，前往欧洲和来到亚洲的人类却在外观上（即宏观表型）呈现显著的差别。换言之，迁徙至欧洲和亚洲并在当地繁衍生息的过程中，人类的面部结构、身体结构等都或多或少发生了改变，这是为何？“这应该与环境因素影响有关”。唐惠儒教授表示：“表型组正是由基因组和环境因素相互作用形成的，而两者具体如何相互作用，目前尚不十分清楚，也恰好是我们想要解析和搞明白的问题。”

在科学家多年反复研究论证的基础上，“国际人类表型组计划（一期）”项目于2017年正式在上海启动。该项目由复旦大学联合中科院上海生命科学研究院、上海交通大学、上海市计量测试技术研究院等共同承担，是上海首批市级科技重大专项之一，国内外百余名科学家已经投身其中。项目将针对人类表型组在物理、化学和生物功能等多个层面的跨尺度、多维度特点，建立配套研究平台，制定我国人群的表型组标准化技术体系，构建中国健康人群表型图谱及数据库。

解答基因和表型的内在机制

聚焦代谢分子表型解析

“我们目前的核心任务是研究分子表型，通过与其它微观表型组及宏观表型组的相关性定量分析，解析内在机制，深入认识宏观表型由哪些分子表型导致，也用分子表型预测未来将有怎样的宏观表型。”唐惠儒教授说到，复旦大学十多年来逐步建立了20余万人的泰州纵向人群队列并持续跟踪研究，发展了人类表型测量的系列技术方法与表型检测技术。事实上，研究院相关的研究还在继续进行着。”唐惠儒教授告诉编辑，一期计划的第一个目标就是要明确“健康人”的定义。如何定义“健康”，我们首先需要“测量健康”，通过大队列获得健康人群的分子表型图谱。为实现这个目标，需要建立2万个以上表型组相关的可定量检测指标，便于更精确地描绘人体的整体状态。

“我的团队主要研究对象是代谢表型组，也就是小分子代谢物的定量组成及变化规律。通过结合核磁共振波谱、质谱及量子化学计算等多种技术，我们能够准确测量人类血液、尿液和唾液等样品中代谢物的绝对结构，定量它们的浓度及其变化规律。”唐惠儒教授透露其目标是定量测量2000-3000种小分子代谢物，当然该种类数还有望进一步突破。显而易见，新技术方法体系是实现目标的基础。

量体裁衣

打造精准测量质谱平台

由于不同的分析技术各有利弊，且代谢组异常复杂，单一工具并不能满足绝对定性和绝对定量的要求。因此，发展建立适合该研究目标的代谢表型组定量测量和分析新技术体系，极具挑战但必不可少。

不久前，Nature杂志发表了唐惠儒教授课题组与徐国良院士团队等的合作研究成果。他们建立了准确鉴定微量完全未知代谢物绝对结构的新技术，并使用该技术确定了两个完全未知的微量物质绝对结构，发现了一种全新的核酸修饰，进而阐明了修饰机制与可能的功能。该技术大大降低了准确鉴定小分子物质绝对结构的所需样品量，突破了10微克瓶颈，解决了代谢表型组精准分析面临的其中一个挑战。

为满足代谢分子表型精准定量的需求，研究院“量身定制”了代谢组分析的专用质谱平台。唐惠儒教授表示：“就代谢组精密测量而言，我们的核心目标是方法的稳、准、敏、快、简。质谱仪器的灵敏度、稳定性是我们优先考虑的关键指标。超灵敏、超高通量的测量方法更是我们工作的‘刚需’。我们的研究涉及数十万份样本，任何分析时间的节约、效率的提高、成本的降低都是十万分重要的。基于这一系列考虑并通过实际样品的系统而严苛实验评判，我们设计并引进了多台套质谱仪建成了硬件平台。”

复旦大学人类表型组研究院精准定量质谱平台

“在这个平台上，我们研发所需技术和方法。譬如，我们开发的方法在10分钟内能够测得2000多种代谢物的绝对浓度（单位为微摩尔每升），所有代谢物的定量灵敏度达到亚飞摩尔量级。这些技术的突破，也能够在更为广泛的领域推广应用。”唐惠儒教授说。

“我们研发的技术必将挑战当今最优秀仪器的性能极限，对仪器提出全新要求并倒逼仪器硬件能力的提升，进而推动我们研究的深入，使仪器技术与分析方法再出现‘质的飞跃’。”唐惠儒说，“上述两方面的相互促进与推动，也是中国科学家团队和仪器公司合作的现实需求与潜在方向，我们期待着这样的深入合作携手与共同发展。”

代谢组学发展“日新月异”

光明未来值得期待

唐惠儒教授深耕代谢研究领域三十余年，他认为，“代谢组学从1999年诞生至今，经历了21个春秋。这个依然朝气蓬勃的学科发展迅猛。虽然我国的代谢组学研究略晚于国际同行，但经过全国一批优秀科学家们的勤勉努力，发展迅速且成绩卓著。目前的我国的代谢组学研究水平已经在很大程度上‘比肩’国际水平。当然，我国的代谢组学事业任重而道远，前景看好而任务艰巨。目前我们依然存在从业人员体量整体偏少、整体研究水平亟待提高、国家层面重视不够、经费支持严重不足等问题。”唐惠儒教授感叹道。

因此，唐教授认为人才培养依然是科研院所及相关学会的责任。成立于2018年的中国生物物理学会代谢组学分会，将重点关注行业的人才培养、研究水平提高、规范化、标准化等问题，通过定期举办学术会议、讲习培训班、陆续推出行业标准等一系列举措，促进我国代谢组学领域的进一步深入发展。

“对我国的代谢组学而言，发展才是硬道理。当行业经过蓬勃发展后，则更加需要重视发展的质量，重视长久的可持续协调发展。”唐惠儒告诉编辑，“代谢组学是新兴学科，各层面具有战略规划的前瞻性支持面与力度还有待改善。有史以来的科学实践不断表明，任何学科的大发展均始于新技术的重大突破，代谢组学也绝不会例外；新技术体系的建立与深入发展显然是从业者的一个核心任务。这个新技术体系自然包括仪器新技术的研发突破。”

唐惠儒认为，代谢组学的应用前景广阔，潜力可期。无论是生命过程的分子基础、病理生理的机制、药理与毒理的生物化学基础，还是环境健康与环境毒理，或者复杂体系的变化规律与质量控制等，都是代谢组学的应用领域。代谢组学在疾病的临床诊断、预后及有效干预等方面也必将为精准医学的实践提供重要关键技术。

——转载自媒体