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技术专家
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人和环境密不可分,人类活动影响环境,环境影响人体健康。在2005年,暴露组(exposome)的概念首次被Christopher Paul Wild提出[1],之后对暴露组的研究一直在推进。暴露组的研究包括对人群生存环境中的所有暴露因素(内外环境)进行评价,时间跨度范围包括对从受精卵开始的整个生命周期,暴露因素除了身体层面,还包括心理层面;暴露组学研究的目的是明确环境与人体健康及特定疾病的因果关系、锁定环境风险因子,暴露组学的研究成果对于揭示疾病病因和后续采取恰当的防控措施具有巨大的指导意义。

 

暴露组学作为前沿科研领域正在积极探索的组学,目前研究方尚未成熟,现有开展的暴露组相关的研究中,Orbitrap高分辨液质联用技术被广泛应用在这一领域,我们来一起学习下吧。

 

一、通过长期暴露组监测和多组分分析进行精确的环境健康监测[2]:

 

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斯坦福大学的Snyder团队2018年发表在《Cell》上的研究表明[3],个体经历的外暴露具有高度动态性,即使是生活在同一地理区域的不同个体,经历的暴露组也存在很大差异。今年该团队发表在《Genome Research》的这篇文献中,研究工作者以一名61岁的欧洲男性作为研究对象,对其进行了为期52天的个体外暴露因子的收集和用于体内多组学(包括肠道微生物组、蛋白质组、代谢组)研究的粪便和血液样本的收集(图1A),通过系统地研究个体暴露组和个体表型,进行外暴露和体内成分的关联发掘(图1A,B,C),结果表明在个体暴露组中的注释的数千种化学和生物成分,农药和真菌占主导成分,同时,与个体免疫系统、肾脏和肝脏相关的生物分子和代谢通路与个体外暴露高度相关。

2.png图1 用于个人暴露组和多组学分析的长期样品收集概述(点击查看大图)

 

3.png图2 暴露组和体内多组学的组间分析精准揭露环境健康关联网络(点击查看大图)

 

作者通过研究外部暴露与内部多组学之间的联系发现,生物暴露组和代谢组是网络中分布最广泛的分组,它们也具有最大数量的显著相关性 (图2A,B),一共有8986个显著相关(| r |>0.9,Q值<0.05),其中正相关多于负相关(图2A)。对于化学暴露物的检测和非靶向代谢组学数据的采集都是基于Orbitrap的高分辨液质联用技术。同时,暴露组和肠道微生物组也存在1333个显著相关性(| r |>0.9,Q值<0.05)(16S rDNA数据),正相关性和负相关性的数量大致相等(图2C)。六个属中,除 Roseburia 外,所有属都与化学应激源呈正相关,通常与生物成分呈负相关(图 2D)。因此,Alistipes、Eggerthella、Odoribacter 和 Parasutterella 的成员更有可能参与促炎过程,而 Roseburia 的成员主要参与抗炎过程。在所有暴露组成分中,Botryosphaeria、Corynespora 和 Enterobacter是程度最高的属(每种与18种肠道细菌相关),表明它们在与该实验个体中的肠道微生物群相互作用中发挥着重要作用(图2C)。

 

二、暴露组学中基于酶的大规模外源化合物的测定[4]:

 

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暴露组中异源物质的含量通常比内源代谢物低3-5个数量级。为检测低含量的外源物质,本文开发了一种基于生物酶系统(混合人肝S9组分)的高通量异源代谢物生成系统,通过基于Orbitrap的HRMS进行异源代谢物的检测和鉴定(图3)。在体内,酶会将外源物质转换成初级或次级代谢物,这些相关代谢物的共检测信号能够帮助鉴定外源代谢物。基于此建立了一批异源物质的质量、保留时间、相关共出现物质的标准信息列表,并成功利用这些标准信息实现了人和小鼠样本中的异源物质检测。

5.png图3 通过酶促反应生成的用于质谱鉴定的外源性代谢物(点击查看大图)

 

文章中提出使用同位素标记的异源性前体可以帮助解析一些代谢物的具体结构,比如安非他酮主要由CYP2B6代谢,CYP2B6可能生成(2S,3S)-羟基安非他酮和4′-羟基安非他酮,使用d9-安非他酮作为前体分子,检测经S9酶代谢后的样本,可能生成的这两种代谢物的精确质量数存在差别,数据显示,主要产物为d8-(2S,3S)-羟基安非他酮(264.1600 m/z)(图4c),24小时后峰值强度比d9-4′-羟基安非他酮(265.1666 m/z)高10倍(图4d),因此安飞他酮的主要体内代谢物为(2S,3S)-羟基安非他酮。而如果使用未标记的安非他酮, 测得的256.1099 m/z不能区分(2S,3S)-羟基安非他酮和4′-羟基安非他酮(图4e),需要通过二级谱图去进行判断(图4f)。

6.png图4 使用同位素标记的异生素前体来帮助结构阐明(点击查看大图)

 

暴露组学的研究绕不开暴露水平的评价,不管是联合多组学去解析暴露组和人体内环境的关联,还是开发高通量、高灵敏的酶转化方法从人体内的异源代谢产物去确定外暴露组,都离不开高分辨质谱平台,而其中Orbitrap作为有机质谱的佼佼者,凭借其优异的性能,在暴露组学的研究还会有更多的应用去实现更重磅的发现。在科研之峰中的攀登之路上,飞飞期望和更多的研究者一起攀岩更高的山峰,这一路上,有你,有你们,很荣幸!

 

参考文献:

[1] Wild C P. Complementing the genome with an “exposome”: the outstanding challenge of environmental exposure measurement in molecular epidemiology[J]. Cancer Epidemiology Biomarkers & Prevention, 2005, 14(8): 1847-1850..

[2]Gao P, Shen X, Zhang X, et al. Precision environmental health monitoring by longitudinal exposome and multi-omics profiling[J]. Genome Research, 2022 ,32 (6):1199-1214.

[3] Jiang C , Wang X , Li X , et al. Dynamic Human Environmental Exposome Revealed by Longitudinal Personal Monitoring[J]. Cell, 2018, 175(1):277-291.e31.

[4]Liu K H, Lee C M, Singer G, et al. Large scale enzyme based xenobiotic identification for exposomics[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1-9.

 

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