关联代谢组和基因组的新型芯片[创新技巧]

为了揭开代谢组学的秘密，全面了解生物样品中发生的代谢过程，西班牙马德里催化研究所的Manuel Ferrer和同事根据酶-底物的相互作用开发出一种新型芯片，称之为反应组芯片（Reactome Array）。

即使新一代测序平台为科学家们带来了快速准确的基因组测序，但基因注释和功能鉴定的路依旧漫长，而且它们之间的缺口越来越大。众多基因组计划产生了大量的酶，但无从得知它们的作用，最多也只是从序列比较中推断其功能。比如全球海洋取样计划发现了2700万个开放读码框，编码570万个非冗余蛋白序列，但只有一小部分得到了鉴定。

为了揭开代谢组学的秘密，全面了解生物样品中发生的代谢过程，西班牙马德里催化研究所（Institute for Catalysis）的Manuel Ferrer和同事根据酶-底物的相互作用开发出一种新型芯片，称之为反应组芯片（Reactome Array）。他们将大量已知的代谢物和酶的底物系在芯片上，然后暴露在细胞裂解液中。每个目标分子掺入了一个Cy3标记，最初受到分子内淬灭；一旦酶结合和催化，底物释放，淬灭也就解除。

据Ferrer介绍，每个spot所获得的荧光信号为裂解液中存在的酶活性提供了定量信息，而芯片结果的生物学分析对抽样时细胞中的代谢网络有了整体了解。底物还能捕获反应的酶，这样感兴趣的芯片结果可用质谱进一步分析。

此种芯片的主要优势在于关注生物化学相关的相互作用，是不依赖于物种的。芯片中包含的分子是所有物种通用的。因此，它适用于所有样品，从单细胞到环境样品，到组织、血液等等。

在初期试验阶段，研究小组鉴定了恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）的反应组，发现他们的酶-底物图谱和预测与京都基因与基因组百科全书（KEGG）中对该物种的注释有着强关联。他们还能直接指出多种酶的功能，并定义它们的功能注释。

研究环境样品中的生态系统具有相当的难度，一克土壤中含有数百万个反应、酶和微生物。不过，鉴于反应组芯片的物种不依赖性，它能够从多个环境中挖掘出信息量丰富的代谢组数据。例如，他们发现一个矿物质丰富的地热池中，生物体内铁和硫氧化的酶活特别高。

此项技术在基础研究和应用研究上都有许多潜在应用，包括生理变化的鉴定，了解是什么导致了癌症或感染，或分析转基因植物的代谢改变。

原文参考：

Reactome Array: Forging a Link Between Metabolome and Genome

Science 9 October 2009:
Vol. 326. no. 5950, pp. 252 - 257 DOI: 10.1126/science.1174094