魏若瑾，李濟(jì)彤，常靜，楊璐，潘一帆，王會(huì)利,*，朱莉飛

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所，北京 100086

現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展?jié)M足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)需求，但也產(chǎn)生了越來(lái)越嚴(yán)重的健康和環(huán)境安全問(wèn)題[1]。以各種方式進(jìn)入到環(huán)境中的化學(xué)品種類(lèi)和數(shù)量日益增加，而絕大多數(shù)的化學(xué)品毒性數(shù)據(jù)是缺乏的[2]。傳統(tǒng)的化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依賴(lài)于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，難以對(duì)大量化學(xué)品的毒性進(jìn)行高效檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)，并且對(duì)化學(xué)品作用機(jī)制的研究較為匱乏。為了對(duì)化學(xué)品毒性進(jìn)行更加準(zhǔn)確、可靠的評(píng)估，往往需要大量的毒性數(shù)據(jù)，不僅需要明確化學(xué)品影響生物系統(tǒng)的機(jī)制，還需要確定不同毒性通路共同的關(guān)鍵事件，以便更快速、更準(zhǔn)確和更全面地評(píng)估化合物的潛在風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，亟需建立更科學(xué)有效的方法，用于評(píng)估那些毒理資料缺乏的化學(xué)品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與健康風(fēng)險(xiǎn)。

與此同時(shí)，生物學(xué)和毒理學(xué)領(lǐng)域也有了一些重大發(fā)展。生物信息學(xué)、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算分析能力的進(jìn)步，以及在分子水平上對(duì)毒理學(xué)的理解，都有助于我們獲得更大數(shù)量、更多類(lèi)型的可用信息和可靠數(shù)據(jù)，并可以應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。正如Bradbury等[4]所指出的，我們要擺脫對(duì)體內(nèi)測(cè)試的過(guò)度依賴(lài)，更多地使用計(jì)算、分子和體外工具。美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)(NRC)提出，需要收集歸納生物系統(tǒng)以及化學(xué)品干擾機(jī)制的基本信息，從而提高對(duì)化學(xué)品毒性效應(yīng)的預(yù)測(cè)能力[5]。

組學(xué)是毒理學(xué)研究中強(qiáng)有力的且有很大發(fā)展前景的工具。隨著各種高通量組學(xué)方法在毒理學(xué)研究中的應(yīng)用與發(fā)展，我們獲得了大量的組學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步加深了對(duì)化學(xué)品的毒性效應(yīng)及分子機(jī)制的理解。多組學(xué)聯(lián)合分析的優(yōu)勢(shì)主要在于，通過(guò)對(duì)各種組學(xué)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以更全面、更系統(tǒng)和更深入地研究化學(xué)品在生物體內(nèi)的作用通路，能夠?yàn)轭A(yù)測(cè)目標(biāo)化學(xué)品的毒性機(jī)制提供更為可靠的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐[6]。

1 多組學(xué)研究的相關(guān)技術(shù)(Related techniques of multi-omics)

1990年，人類(lèi)基因組計(jì)劃(Human Genome Project, HGP)啟動(dòng)[7]，催生了組學(xué)的研究，包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)以及表觀遺傳組學(xué)等。組學(xué)分析技術(shù)已被證明是揭示復(fù)雜生物過(guò)程的強(qiáng)有力的新工具，并已成功地應(yīng)用于微生物學(xué)、真菌學(xué)[8]、植物[9]和醫(yī)學(xué)[10]等領(lǐng)域。

1.1 基因組學(xué)

基因組(genome)，又稱(chēng)染色體組，指一個(gè)物種單倍體的染色體數(shù)目，是物種全部遺傳信息的總和?；蚪M學(xué)(genomics)這一概念最早是在1986年，由美國(guó)科學(xué)家Roderick提出，基因組學(xué)的目的是對(duì)一個(gè)生物體所有基因進(jìn)行集體表征和量化，研究它們之間的相互關(guān)系及對(duì)生物體的影響，并理解核苷酸序列的意義[11-12]。我們只有2個(gè)選擇：要么零敲碎打地去發(fā)現(xiàn)一個(gè)個(gè)重要的基因，要么就有選擇地測(cè)定數(shù)個(gè)動(dòng)物(包括人類(lèi))的全基因組序列[13]。理所當(dāng)然的，科學(xué)家們做出了科學(xué)的選擇，啟動(dòng)了人類(lèi)基因組計(jì)劃，開(kāi)始了對(duì)基因組學(xué)的研究。“基因組序列圖”將奠定21世紀(jì)生命科學(xué)研究和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。基因組學(xué)包括3個(gè)領(lǐng)域：(1)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，包括基因定位、基因組作圖及測(cè)定核苷酸序列[14]；(2)功能基因組學(xué)，是指對(duì)基因功能的識(shí)別和鑒定；(3)比較基因組學(xué)，是對(duì)不同物種的整個(gè)基因組進(jìn)行比較，增強(qiáng)對(duì)各個(gè)基因組功能和表達(dá)機(jī)理的認(rèn)識(shí)[14]?；蚪M學(xué)技術(shù)正被應(yīng)用于研究經(jīng)化學(xué)物暴露后生物基因表達(dá)的變化，這些信息有助于更好地理解mRNA(轉(zhuǎn)錄組學(xué))、細(xì)胞和組織蛋白表達(dá)(蛋白質(zhì)組學(xué))以及代謝譜(代謝組學(xué))的信息[15]。目前，常用的基因組學(xué)技術(shù)有DNA測(cè)序[16-17]、下一代測(cè)序[18]和單核苷酸多態(tài)性微陣列[19]等。

1.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組(transcriptome)這一概念最早由Velcuescu等提出，轉(zhuǎn)錄組是特定發(fā)育階段或生理狀態(tài)下細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄出來(lái)的所有RNA總和[20-21]，發(fā)現(xiàn)和解釋轉(zhuǎn)錄組的復(fù)雜性是理解基因組功能的一個(gè)關(guān)鍵途徑[22]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)是功能基因組學(xué)研究的重要組成部分，是一門(mén)在整體水平上研究細(xì)胞中所有基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科[23]，依賴(lài)于對(duì)暴露動(dòng)物組織中mRNAs水平變化的全基因組測(cè)量[24]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析的主要目標(biāo)是識(shí)別、表征和分類(lèi)特定階段特定細(xì)胞、組織中表達(dá)的所有轉(zhuǎn)錄本，這些轉(zhuǎn)錄本可以量化轉(zhuǎn)錄組在病理?xiàng)l件下的差異表達(dá)[22]。迄今為止，轉(zhuǎn)錄組學(xué)是最先進(jìn)和最成熟的組學(xué)技術(shù)[25]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)主要有微陣列技術(shù)[26]、基因表達(dá)系列分析技術(shù)[27]、大規(guī)模平行測(cè)序技術(shù)[28]和RNA測(cè)序技術(shù)[29]等。

1.3 蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組(proteome)一詞是1994年由Wilkins和Williams提出的，是指在特定時(shí)間、特定條件下，在特定類(lèi)型的細(xì)胞或個(gè)體中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)[30]。蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)主要闡明蛋白質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、表達(dá)和功能模式及各種蛋白質(zhì)之間的相互作用[31]。與人類(lèi)基因組計(jì)劃相呼應(yīng)，2001年，在美國(guó)成立了國(guó)際人類(lèi)蛋白質(zhì)組研究組織(Human Proteome Organization, HUPO)，提出了人類(lèi)蛋白質(zhì)組計(jì)劃[32]。雖然，基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，但基因表達(dá)的水平不能代表細(xì)胞內(nèi)活性蛋白的水平[33]。蛋白質(zhì)組極其復(fù)雜并且隨時(shí)間變化而改變，蛋白質(zhì)修飾過(guò)程如磷酸化、糖基化等，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)起至關(guān)重要的作用[34]。蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)蛋白質(zhì)翻譯和修飾水平的研究進(jìn)行了補(bǔ)充，是全面了解基因組表達(dá)的重要手段[35]。蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)蛋白質(zhì)的定性定量檢測(cè)，但它仍然不如轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)敏感[36]。蛋白質(zhì)組學(xué)可分為：(1)表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)，即對(duì)組織、器官、細(xì)胞和亞細(xì)胞中蛋白質(zhì)表達(dá)譜的研究；(2)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)，是對(duì)蛋白質(zhì)及其復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)的測(cè)定，從原子分辨率的水平對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行解釋?zhuān)?3)功能蛋白質(zhì)組學(xué)，研究蛋白質(zhì)在定位、折疊和修飾等功能上的不同和差異[37]。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)有二維凝膠電泳技術(shù)[38]、質(zhì)譜技術(shù)[39]等。

1.4 代謝組學(xué)

基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分別從基因和蛋白質(zhì)層面探尋生命的活動(dòng)，而實(shí)際上細(xì)胞內(nèi)很多生命活動(dòng)是發(fā)生在代謝層面的，基因和蛋白表達(dá)的有效的和微小的變化會(huì)在代謝物上放大，從而使檢測(cè)更容易。與蛋白質(zhì)和基因相比，代謝物會(huì)立即對(duì)細(xì)胞進(jìn)程造成直接影響，并與毒理學(xué)表型密切相關(guān)[40]。而且，代謝組學(xué)可以使用體液如血液和尿液作為基質(zhì)，這些體液可以采用較少或無(wú)創(chuàng)的方法取樣，更加符合動(dòng)物倫理，更加適用于人體健康的研究[25]。代謝組學(xué)的發(fā)展是基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及表觀基因組學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。代謝組學(xué)是從基因到生命有機(jī)體的級(jí)聯(lián)過(guò)程的最后一步，它展現(xiàn)了生命有機(jī)體系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，展現(xiàn)了環(huán)境與其自身遺傳、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)表達(dá)共同作用的結(jié)果。代謝組學(xué)在現(xiàn)有的英文表述中，同時(shí)存在2個(gè)不同的詞匯和概念，即Metabolomics和Metabonomics，Metabolomics研究的是細(xì)胞中所有小分子的成分和波動(dòng)規(guī)律，Metabonomics動(dòng)態(tài)跟蹤完整生物體中的代謝物，研究其對(duì)內(nèi)因和外因變化應(yīng)答規(guī)律[41]。代謝組學(xué)的研究方法分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)是對(duì)樣品中所有可測(cè)量的代謝物進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，靶向代謝組學(xué)則只對(duì)特定的代謝物進(jìn)行定性定量分析[42]。與非靶向代謝組學(xué)相比，靶向代謝組學(xué)只對(duì)已知可能具有生物學(xué)效應(yīng)的幾種或幾類(lèi)代謝物進(jìn)行偏向性研究，數(shù)據(jù)處理更加簡(jiǎn)單，分析更具有針對(duì)性[43]。Chai等[44]采用超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UPLC-MS/MS)進(jìn)行靶向代謝組學(xué)分析，探討多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)PCB91和PCB149對(duì)斑馬魚(yú)胚胎和幼體的毒性作用。PCB91/149暴露后，胚胎和幼體內(nèi)的獨(dú)特代謝物大多為氨基酸，對(duì)22種氨基酸進(jìn)行定量分析，對(duì)22種其他代謝物進(jìn)行半定量分析，對(duì)暴露期間顯著改變的特征代謝物進(jìn)行代謝途徑分析，在胚胎和幼體中觀察到的共同途徑是精氨酸和脯氨酸代謝，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，表明這2種代謝途徑參與了細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的遺傳調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控。應(yīng)用于代謝組學(xué)最廣泛的技術(shù)有色譜法、質(zhì)譜法[45-46]及核磁共振法[47]等。

1.5 生物信息學(xué)

組學(xué)技術(shù)，特別是基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，產(chǎn)生了大量關(guān)于全基因組基因表達(dá)譜、蛋白表達(dá)以及蛋白質(zhì)與外源性物質(zhì)(特別是有毒物質(zhì))相互作用的數(shù)據(jù)，使研究跨越從分子到系統(tǒng)的多個(gè)復(fù)雜尺度[48]。對(duì)這些龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，進(jìn)一步明確生物學(xué)機(jī)制，需要利用生物信息學(xué)這門(mén)關(guān)鍵學(xué)科。生物信息學(xué)結(jié)合了統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科[7]，以計(jì)算機(jī)為工具，用數(shù)學(xué)和信息科學(xué)的方法對(duì)生命現(xiàn)象開(kāi)展研究，已經(jīng)成為組學(xué)研究的前沿學(xué)科之一[14]。目前，越來(lái)越多公開(kāi)的生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)可通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)，例如Genbank、PDB(Protein Data Bank)和EMBL(European Molecular Biology Laboratory)等[49]。生物信息學(xué)分析的過(guò)程包括：(1)數(shù)據(jù)處理和分子識(shí)別；(2)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析；(3)通路分析；(4)數(shù)據(jù)建模[50]。生物信息學(xué)方法隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，但是對(duì)于方法的應(yīng)用還沒(méi)有建立起一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這是生物信息學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌纳镄畔W(xué)方法應(yīng)用于相同的數(shù)據(jù)集可能產(chǎn)生截然不同的結(jié)論[51]。

2 多組學(xué)技術(shù)在化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用(Application of multiple-omics techniques in chemical risk assessment)

多組學(xué)是多種高通量組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，主要包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)等手段，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)作用機(jī)制進(jìn)行更加深入的了解。早期的研究?jī)H使用單一的組學(xué)技術(shù)進(jìn)行毒理機(jī)制分析，然而，生命調(diào)控過(guò)程并不僅僅存在于單一層面，而是涉及到基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組及代謝組等多個(gè)層面的共同作用。因此，聯(lián)合多組學(xué)技術(shù)，更加全面、系統(tǒng)地對(duì)化學(xué)品進(jìn)行致毒機(jī)制研究和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是勢(shì)在必行的。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

隨著全球化學(xué)品統(tǒng)一分類(lèi)和標(biāo)簽制度在各國(guó)的實(shí)施，對(duì)化學(xué)品鑒定及危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高[52]。為快速識(shí)別并預(yù)測(cè)化學(xué)品的危險(xiǎn)性，許多學(xué)者開(kāi)始將多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。Simoes等[53]為了揭示一種草甘膦類(lèi)除草劑對(duì)土壤跳蟲(chóng)的毒性機(jī)制，應(yīng)用RNA測(cè)序和霰彈槍蛋白組學(xué)分別評(píng)估轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)差異。在Illumina HiSeq2000平臺(tái)上進(jìn)行下一代測(cè)序，使用Bowtie軟件將測(cè)序結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行比對(duì)，使用limma和edgeR軟件包，通過(guò)廣義線(xiàn)性模型進(jìn)行回歸分析，并對(duì)偽發(fā)現(xiàn)率進(jìn)行校正，得到差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本。使用基質(zhì)輔助激光解吸電離串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF/TOF)對(duì)預(yù)處理后的樣品進(jìn)行分析，使用ProteinPilot軟件對(duì)多肽和相應(yīng)預(yù)測(cè)蛋白進(jìn)行鑒定和相對(duì)定量。研究發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)除草劑暴露會(huì)影響正常的細(xì)胞呼吸和脂質(zhì)代謝，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，并導(dǎo)致蛻皮和生殖等生物生命周期活動(dòng)發(fā)生損傷。Chatterjee等[54]應(yīng)用了基于DNA微陣列的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基于GC-MS的脂質(zhì)組學(xué)，對(duì)無(wú)定形納米二氧化硅粒子處理的人肝癌細(xì)胞(HepG2)進(jìn)行生物信息學(xué)分析。研究使用MetaboAnalyst軟件進(jìn)行代謝組學(xué)通路分析，使用IMPaLA軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的通路整合分析，使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。綜合顯著改變的基因和代謝物的通路分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)膽固醇生物合成通路的調(diào)節(jié)取決于無(wú)定形納米二氧化硅粒子的比表面積，比表面積越大，誘導(dǎo)膽固醇的水平越高。這一研究結(jié)果將為納米材料暴露提供一個(gè)監(jiān)管信號(hào)的范例。最重要的是，可以調(diào)整無(wú)定形納米二氧化硅粒子的表面積來(lái)控制誘導(dǎo)的膽固醇水平，并且為進(jìn)一步的生物應(yīng)用設(shè)計(jì)安全的方法。Gavin[55]利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)，用非靶標(biāo)方法進(jìn)行大型溞的銀暴露研究，避免了傳統(tǒng)假設(shè)驅(qū)動(dòng)研究方法的潛在局限性。使用IMPaLA軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)集的聯(lián)合通路分析，用Fisher精確檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。研究發(fā)現(xiàn)，銀暴露導(dǎo)致嘌呤核苷的積累與氧化應(yīng)激無(wú)關(guān)，盡管鳥(niǎo)苷和肌苷顯著增加的確切原因需要進(jìn)一步研究，這2種代謝物已被證明可以作為銀暴露的潛在標(biāo)志物，從而用于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、疾病診斷等。

2.2 致毒機(jī)制研究

化學(xué)品的毒性可能是急性毒性，也可能是慢性毒性，或是長(zhǎng)期毒性、遺傳毒性和生殖發(fā)育毒性等等，只通過(guò)常規(guī)的急性毒性試驗(yàn)難以準(zhǔn)確評(píng)估其毒性效應(yīng)及致毒機(jī)制，因此，亟需更加科學(xué)合理的技術(shù)，如多組學(xué)技術(shù)來(lái)進(jìn)行化學(xué)品的致毒機(jī)制研究。Gonzalez-Ruiz等[56]在對(duì)3D神經(jīng)細(xì)胞的三甲基錫暴露實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建了一個(gè)完整的框架來(lái)分析通過(guò)多因素、多平臺(tái)和多組學(xué)研究所獲取的數(shù)據(jù)，從而揭示三甲基錫誘導(dǎo)的生物合成路徑、神經(jīng)元分化和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的改變。研究使用ANOVA multiblock OPLS(AMOPLS)方法將不同液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)平臺(tái)的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，分析不同實(shí)驗(yàn)要素對(duì)三甲基錫暴露的影響，使用Proteome Discoverer軟件對(duì)多肽和蛋白質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，通過(guò)將蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)得到的互補(bǔ)生化信息結(jié)合，可以更好地了解暴露于化學(xué)品后發(fā)生的復(fù)雜細(xì)胞變化。在此研究中，選擇的平臺(tái)依賴(lài)于生物圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠同時(shí)將各種組學(xué)數(shù)據(jù)集與這些圖譜進(jìn)行匹配。在一些圖譜中，顯著修飾蛋白的比例高于顯著修飾代謝物的比例，而在其他圖譜中則相反，說(shuō)明2種組學(xué)方法的結(jié)合提高了可信度。Wilmes等[57]結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)與藥代動(dòng)力學(xué)方法，研究了培養(yǎng)的人腎上皮細(xì)胞(RPTEC/TERT1)暴露于環(huán)孢素A(CsA)(一種有腎毒性的藥物)中的毒性效應(yīng)。研究采用Illumina HT 12 v3芯片陣列(約47 000個(gè)轉(zhuǎn)錄本)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析；采用同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量(isobaric tags for relative and absolute quantification, iTRAQ)技術(shù)標(biāo)記多肽，用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)技術(shù)測(cè)定，進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析；采用軌道離子阱(Orbitrap)進(jìn)行代謝組學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，在高CsA濃度時(shí)，細(xì)胞內(nèi)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)線(xiàn)粒體紊亂、氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激現(xiàn)象。Grison等[58]研究了低劑量鈾對(duì)大鼠腎臟的慢性毒性。在此研究中，使用LC-MS分析樣本，將數(shù)據(jù)使用SIMCA-P軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，使用Cytoscape的插件Metscape和MetaboAnalyst構(gòu)建代謝網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)受到最顯著影響的2個(gè)代謝通路是煙酸-煙酰胺和不飽和脂肪酸的生物合成。轉(zhuǎn)錄組學(xué)相關(guān)分析采用RNA微陣列技術(shù)，所得原始數(shù)據(jù)使用R軟件分析，當(dāng)調(diào)整后的P值低于0.5則說(shuō)明基因發(fā)生差異表達(dá)，分析顯示有49個(gè)基因發(fā)生差異表達(dá)，其中，Nt5c2、Sirt6、Nnt、Nmnat1和Enpp3等基因可能與代謝物發(fā)生直接或間接的功能聯(lián)系。此研究結(jié)果揭示了慢性低劑量鈾暴露后，激活與氧化應(yīng)激和炎癥免疫反應(yīng)相關(guān)基因的細(xì)胞過(guò)程。

3 挑戰(zhàn)及展望(Challenges and prospects)

盡管多組學(xué)技術(shù)較傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有巨大優(yōu)勢(shì)，但將多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，仍然面臨一些挑戰(zhàn)。

把多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的首要挑戰(zhàn)就是如何與有害結(jié)局建立聯(lián)系[59]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的在于評(píng)估特定暴露方案造成有害結(jié)局的可能性。在人類(lèi)健康評(píng)估中，有害結(jié)局可以被定義為個(gè)體出現(xiàn)疾病或不適。在生態(tài)評(píng)估中，有害結(jié)局可以定義為對(duì)種群及生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。從本質(zhì)上來(lái)講，組學(xué)終點(diǎn)反映的生物現(xiàn)象是較低層面的，例如分子層面、生物化學(xué)層面，而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和有害結(jié)局通常關(guān)注器官、個(gè)體和種群層面。因此，要想將組學(xué)技術(shù)有效應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，就要在組學(xué)響應(yīng)和有害結(jié)局之間建立科學(xué)可信的聯(lián)系。建立此種聯(lián)系的生物學(xué)依據(jù)基于對(duì)基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)和代謝等的理解。由于生物系統(tǒng)是復(fù)雜的，我們對(duì)生物系統(tǒng)的理解是有限的，在應(yīng)用組學(xué)技術(shù)的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)假陽(yáng)性的結(jié)果[59]，因此，運(yùn)用多組學(xué)方法，多方面、多角度地對(duì)有害結(jié)局路徑中的關(guān)鍵事件進(jìn)行分析比單一的組學(xué)方法更有說(shuō)服力。

多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的另一大挑戰(zhàn)就是研究手段的標(biāo)準(zhǔn)化。盡管經(jīng)過(guò)幾十年的研究，組學(xué)方法仍未能從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向監(jiān)管應(yīng)用[60]。組學(xué)技術(shù)的監(jiān)管實(shí)用性意味著監(jiān)管研究必須具有可重復(fù)性和可解釋性，用于監(jiān)管目的的數(shù)據(jù)生成過(guò)程需要標(biāo)準(zhǔn)化。目前，眾多機(jī)構(gòu)與學(xué)者正致力于此。例如，歐盟的致癌基因組學(xué)項(xiàng)目為研究組學(xué)檢測(cè)的可重復(fù)性以及評(píng)估相關(guān)的生物信息學(xué)方法提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[61]；美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)組織了MAQC(Microarray Quality Control)項(xiàng)目，旨在建立基因芯片、新一代測(cè)序技術(shù)規(guī)范及數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)[62-64]；DNA元素百科全書(shū)聯(lián)盟(ENCODE)是由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)資助的跨國(guó)項(xiàng)目，自2003年開(kāi)始運(yùn)作，一直是基因組學(xué)領(lǐng)域分析手段標(biāo)準(zhǔn)化的主要貢獻(xiàn)者[65]。

傳統(tǒng)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是依據(jù)流行病學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)確定人體暴露后是否會(huì)對(duì)健康造成不良影響以及造成不良影響的性質(zhì)和特點(diǎn)，此種方法較多組學(xué)技術(shù)工作量大，數(shù)據(jù)不足。目前，越來(lái)越多的學(xué)者把多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于人群暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。Luyten等[66]探討了母體的空氣污染暴露可能對(duì)胎兒產(chǎn)生的不利影響，發(fā)現(xiàn)探索基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組的整個(gè)代謝途徑比其他方法更有代表性。Yao等[67]探討了全氟/多氟烷基化合物(perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances, PFASs)暴露對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生的不利影響，發(fā)現(xiàn)PFASs會(huì)向細(xì)胞發(fā)出化學(xué)信號(hào)，進(jìn)而向組織甚至器官發(fā)出信號(hào)，最終導(dǎo)致疾病。檢測(cè)并理解這些信號(hào)可以通過(guò)高通量組學(xué)技術(shù)來(lái)解決，包括轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)。

毫無(wú)疑問(wèn)，在未來(lái)，新化學(xué)品仍然會(huì)以一個(gè)相當(dāng)快的速度投入生產(chǎn)并進(jìn)入市場(chǎng)，對(duì)化學(xué)品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的壓力將會(huì)越來(lái)越大，工作量將會(huì)越來(lái)越重，對(duì)理解毒性機(jī)制的要求將會(huì)越來(lái)越高。為了促進(jìn)人類(lèi)健康，維護(hù)環(huán)境安全，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要應(yīng)用更可靠的新技術(shù)、新手段。隨著毒理機(jī)制研究的不斷深入，生物信息數(shù)據(jù)的大量收集，以及數(shù)據(jù)處理軟件的持續(xù)改進(jìn)，多組學(xué)在化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中必將起到越來(lái)越重要的作用。

◆