人和環境密不可分，人類活動影響環境，環境影響人體健康。在2005年，暴露組（exposome）的概念首ci被Christopher Paul Wild提出[1]，之后對暴露組的研究一直在推進。暴露組的研究包括對人群生存環境中的所有暴露因素（內外環境）進行評價，時間跨度范圍包括對從受精卵開始的整個生命周期，暴露因素除了身體層面，還包括心理層面；暴露組學研究的目的是明確環境與人體健康及特定疾病的因果關系、鎖定環境風險因子，暴露組學的研究成果對于揭示疾病病因和后續采取恰當的防控措施具有巨大的指導意義。
暴露組學作為前沿科研領域正在積極探索的組學，目前研究方尚未成熟，現有開展的暴露組相關的研究中，Orbitrap高分辨液質聯用技術被廣泛應用在這一領域，我們來一起學習下吧。
一
通過長期暴露組監測和多組分分析進行精確的環境健康監測[2]:
斯坦福大學的Snyder團隊2018年發表在《Cell》上的研究表明[3]，個體經歷的外暴露具有高度動態性，即使是生活在同一地理區域的不同個體，經歷的暴露組也存在很大差異。今年該團隊發表在《Genome Research》的這篇文獻中，研究工作者以一名61歲的歐洲男性作為研究對象，對其進行了為期52天的個體外暴露因子的收集和用于體內多組學（包括腸道微生物組、蛋白質組、代謝組）研究的糞便和血液樣本的收集（圖1A），通過系統地研究個體暴露組和個體表型，進行外暴露和體內成分的關聯發掘（圖1A,B,C），結果表明在個體暴露組中的注釋的數千種化學和生物成分，農藥和真菌占主導成分，同時，與個體免疫系統、腎臟和肝臟相關的生物分子和代謝通路與個體外暴露高度相關。
圖1 用于個人暴露組和多組學分析的長期樣品收集概述（點擊查看大圖）
圖2 暴露組和體內多組學的組間分析精準揭露環境健康關聯網絡（點擊查看大圖）
作者通過研究外部暴露與內部多組學之間的聯系發現，生物暴露組和代謝組是網絡中分布Zui廣泛的分組，它們也具有最大數量的顯著相關性 (圖2A,B)，一共有8986個顯著相關（| r |>0.9，Q值<0.05），其中正相關多于負相關(圖2a)。對于化學暴露物的檢測和非靶向代謝組學數據的采集都是基于orbitrap的高分辨液質聯用技術。同時，暴露組和腸道微生物組也存在1333個顯著相關性（| r="">0.9，Q值<0.05）（16S rDNA數據），正相關性和負相關性的數量大致相等（圖2C）。六個屬中，除 Roseburia 外，所有屬都與化學應激源呈正相關，通常與生物成分呈負相關（圖 2D）。因此，Alistipes、Eggerthella、Odoribacter 和 Parasutterella 的成員更有可能參與促炎過程，而 Roseburia 的成員主要參與抗炎過程。在所有暴露組成分中，Botryosphaeria、Corynespora 和 Enterobacter是程度最高的屬（每種與18種腸道細菌相關），表明它們在與該實驗個體中的腸道微生物群相互作用中發揮著重要作用（圖2C）。
二
暴露組學中基于酶的大規模外源化合物的測定[4]:
暴露組中異源物質的含量通常比內源代謝物低3-5個數量級。為檢測低含量的外源物質，本文開發了一種基于生物酶系統（混合人肝S9組分）的高通量異源代謝物生成系統，通過基于Orbitrap的HRMS進行異源代謝物的檢測和鑒定（圖3）。在體內，酶會將外源物質轉換成初級或次級代謝物，這些相關代謝物的共檢測信號能夠幫助鑒定外源代謝物。基于此建立了一批異源物質的質量、保留時間、相關共出現物質的標準信息列表，并成功利用這些標準信息實現了人和小鼠樣本中的異源物質檢測。
圖3 通過酶促反應生成的用于質譜鑒定的外源性代謝物（點擊查看大圖）
文章中提出使用同位素標記的異源性前體可以幫助解析一些代謝物的具體結構，比如安非他酮主要由CYP2B6代謝，CYP2B6可能生成（2S，3S）-羥基安非他酮和4′-羥基安非他酮，使用d9-安非他酮作為前體分子，檢測經S9酶代謝后的樣本，可能生成的這兩種代謝物的精確質量數存在差別，數據顯示，主要產物為d8-（2S，3S）-羥基安非他酮（264.1600 m/z）（圖4c），24小時后峰值強度比d9-4′-羥基安非他酮（265.1666 m/z）高10倍（圖4d），因此安飛他酮的主要體內代謝物為（2S，3S）-羥基安非他酮。而如果使用未標記的安非他酮， 測得的256.1099 m/z不能區分（2S，3S）-羥基安非他酮和4′-羥基安非他酮（圖4e），需要通過二級譜圖去進行判斷（圖4f）。
圖4 使用同位素標記的異生素前體來幫助結構闡明
（點擊查看大圖）
暴露組學的研究繞不開暴露水平的評價，不管是聯合多組學去解析暴露組和人體內環境的關聯，還是開發高通量、高靈敏的酶轉化方法從人體內的異源代謝產物去確定外暴露組，都離不開高分辨質譜平臺，而其中Orbitrap作為有機質譜的佼佼zhe，憑借其優異的性能，在暴露組學的研究還會有更多的應用去實現更重磅的發現。在科研之峰中的攀登之路上，飛飛期望和更多的研究者一起攀巖更高的山峰，這一路上，有你，有你們，很榮幸！
參考文獻：
[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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