基因芯片技術在中藥基因組學研究中的應用

基因芯片技術在中藥基因組學研究中的應用

【摘要】該文基于現(xiàn)代基因組學特別是功能基因組學及一些生物技術手段的研究進展及開展趨勢,從一個新的視角提出了開展“中藥基因組學(TGenis)〞研究的策略。認為當前中藥的現(xiàn)代化研究應集中表達于中藥基因組學,并將以基因芯片等為核心的基因技術引入中藥基因組學和現(xiàn)代中藥研究。將中藥的作用機理或功能利用能代表其功能的一組基因表達的影響來詮釋。

【關鍵詞】基因芯片;中藥基因組學;中藥現(xiàn)代化

Abstrat：Inthispaperaneresearhstrategyf“TGenis〞isprpsednthebasisfahieveentsandadvanesinthefieldsfHGP,bihipprteis,bitehnlgyanddernanalytitehnlgies.InrderteluidatetheatinrfuntinfTithitsregulatintagrupfgenesthatrepresentthisatinrfuntin.epresuethatdernizatinfTshuldfusnTGenisandapplygenetehnlgyentredupngenehiptTGenisanddernresearhfT.

Keyrds：Genehip；TGenis；dernizatinfT

化學曾經在中藥研究與開發(fā)領域扮演了極為重要的角色，但今天藥物研究與開發(fā)的根底已經由化學轉變?yōu)樯飳W，尤其是分子生物學、基因組學和生物信息學?；蛐酒鳛?0世紀90年代新興的高度集成化的分析和研究手段，正在成為進展藥物基因組學研究的主要平臺。本文就基因芯片技術在中藥基因組學研究中的應用進展綜述。

1基因芯片和中藥基因組學的含義

基因芯片〔genehip〕又稱DNA芯片，是專門用于核酸檢測的生物芯片，也是目前運用最廣泛的微陣列芯片。它是指在固相載體上按照特定的排列方式固定大量序列的DNA片段，形成DNA微矩陣。將樣品基因組DNA/RNA通過體外轉錄、PR/RT-PR擴增等技術摻入標記分子后，與位于微陣列上的序列雜交，通過激光共聚焦熒光檢測系統(tǒng)對芯片進展掃描，檢測雜交信號強度，計算機軟件進展數(shù)據(jù)的比擬和綜合分析后，即可獲得樣品中大量的基因序列特征或基因表達特征信息［1，2］。藥物基因組學是分子藥理學與分子生物學有機結合,研究藥物效應基因的變異與藥物效應之間的關系,其中所包含的中藥基因組學(TGenis)那么是通過現(xiàn)代科技手段結合傳統(tǒng)中藥理論和現(xiàn)代科學理論，將中藥的藥性、功能及主治與其對特定疾病相關基因表達和調控的影響關聯(lián)起來，在分子程度上用現(xiàn)代基因組學，特別是用功能或疾病基因組學的理論來詮釋傳統(tǒng)中藥理論及作用機理［3］。

2基因芯片在中藥基因組學研究中的應用

基因芯片是研究分析基因的一種強有力的分子生物學技術，是進展表達中藥基因組學研究的主要工具［4］。通過中藥基因組學研究，可開發(fā)中藥基因芯片。中藥基因芯片作為“中藥基因組學〞的又一重點,將從根本上改變長期以來人們對中藥的研究手段和認識層次。中藥基因芯片將是高通量、高效率的從分子程度上研究中藥的最新技術手段。中藥基因芯片包括分類、鑒定芯片和藥物挑選芯片兩種重要類型,前者可以用于對中藥材料及制成品的定性、定量分析,在藥物鑒定、質量保證方面具有極為重要的應用價值,還可用于尋找、發(fā)現(xiàn)中藥新基因；后者用于中藥的藥效挑選以及藥理分析,還可用于證實、發(fā)現(xiàn)中藥新品種。

而在藥物的遺傳學研究中，基因芯片是進展候選基因的多態(tài)性篩查的有效手段。目前研究說明大局部人基因高頻等位基因變異，而約有90％的變異是單核苷酸多態(tài)性(SNP)［5］，在人類基因組上大約有142×108SNP。而這些SNP構成了大局部人類多樣化表型的遺傳基矗將影響藥物反響的所有多態(tài)性基因置于一張芯片上作為臨床分子診斷工具，用來選擇適于個體的適宜藥物治療方案和劑量，是實現(xiàn)個體化給藥的前提［6～8］。

2.1藥靶的研究藥靶確切的含義是指藥物直接作用的生物大分子物質，選擇適宜的藥靶是基于機理挑選藥物的關鍵因素之一。目前可作為藥靶的基因約500個，Dres和Rses等［9，10］認為，在人類基因組中可用于疾病治療的藥物靶點有3000～10000個。由此可見，在藥靶的發(fā)現(xiàn)與研究領域還有相當?shù)目臻g，而我國具有數(shù)千年臨床研究與應用歷史的中藥，在這一領域具有得天獨厚的開展優(yōu)勢。中藥對一些疑難雜癥具有良好療效，但在藥靶及其作用機制的研究方面那么非常薄弱，基因芯片技術的應用將有助于改變這一場面。利用基因芯片技術通過比擬正常組織〔細胞〕及病變組織〔細胞〕在有效藥物或者沒有藥物作用下的基因表達程度的變化，從而發(fā)現(xiàn)一組疾病相關基因或者藥物反響基因作為中藥挑選靶標。利用此技術可以找到多重藥物反響基因，這些藥物反響基因提供了多重干預節(jié)點，這些反響基因可能會成為新的藥靶，用于挑選新的中藥品種，擴大中藥藥源,也可以成為協(xié)同治療方案開發(fā)的基矗使中藥的性味歸經理論以及復方配伍理論和中藥的作用靶點在基因組的程度上結合起來，真正在分子程度上診并治玻不僅為一些新基因的功能研究提供了線索，而且為研究中藥作用的分子機制提供了一個新的技術平臺。andel等［11］利用基因芯片建立帕金森病的基因表達指紋〔fingerprints〕圖譜，發(fā)現(xiàn)了多種有利于抗帕金森病藥物研制和開發(fā)的潛在藥靶。

2.2中藥作用機制研究由于單味藥成分的復雜性以及傳統(tǒng)復方和民族藥的多樣性等特點,中藥療效的發(fā)揮可能涉及到多個藥效靶點,在以往的研究中往往采用免疫組織化學法、流式細胞儀檢測法等,需要將每個樣品分別進展測試,操作繁瑣,而且不能從生物整體系統(tǒng)的角度討論藥物的作用機制,使得中藥作用機制的研究遇到很大困難。大量研究發(fā)現(xiàn),許多疾病與基因構造、基因調控和表達異常有關,而用中藥治療這些疾病能獲得顯著療效且毒副作用校因此,從基因程度上研究中藥治病的機制就顯得非常有意義?；蛐酒夹g的出現(xiàn)及開展給中藥作用機制的研究提供了有力的工具。

藥物與細胞互相作用，將引起細胞外部形態(tài)及內部正常代謝過程的一系列變化。其內部生理活動的變化可集中表如今其基因表達的變化上?；蛐酒梢源_定靶組織的基因表達形式，可將中藥作用的所有靶基因全部顯示出來,從而提供了在全基因組的根底上理解藥物作用機制的線索。由基因芯片所獲得的大量信息也可以用來闡述直接藥效下游的藥物反響個體差異，從而從基因組的高度，在分子程度上解釋中藥藥證、方證的基因組原理，發(fā)現(xiàn)、研究中藥在人類基因組上的整體作用原理，即基因組藥理；研究方劑對基因組的整體作用原理，在分子程度上進一步把方劑準確化、簡單化或者分子化，把中藥的作用機理推向分子程度。Yin等［12］在用DNA微陣列研究半枝蓮〔SutellariabarbataD.Dn〕的抗癌機制中發(fā)現(xiàn)16個基因(包括DNA損傷、細胞周期調控、蛋白質磷酸化的相關基因)上調了5倍以上,提示這些過程可能參與了半枝蓮誘導的癌細胞死亡。Bnhap等［13］采用DNA芯片分析一種中藥成分P-SPES治療前列腺癌的作用機制，發(fā)現(xiàn)該成分作用于LNaP前列腺癌細胞株24h后，有156個基因表達發(fā)生了改變。有趣的是，編碼細胞周期調控蛋白、α和β微管蛋白及雄激素受體的基因表達都下調，提示P-SPES介導的細胞毒作用可能是調控細胞周期、細胞構造及雄激素反響的基因改變的結果。

2.3中藥毒副作用研究由于中藥的作用機理是復雜的，在傳統(tǒng)意義上講是通過調節(jié)機體的整體功能而起治療作用。利用傳統(tǒng)藥理毒理研究方法，對中藥從整體、器官、細胞乃至分子程度很難進展較全面的評價。在中藥提取物作用于動物的前后階段，利用基因芯片技術將動物特定的細胞中相關功能基因表達差異變化進展比照，將中藥的毒副作用與基因表達特征聯(lián)絡起來，通過基因表達分析便可確定藥物的毒性，使得中藥的毒副作用或不期望出現(xiàn)的效應在臨床前實驗得以確認。利用基因芯片可以在一個實驗中同時對成千上萬個基因的表達情況進展分析，為研究中藥對生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索。該技術可對單個或多個有害物質進展分析，確定藥物在低劑量條件下的毒性，分析、推測毒性物質對不同生物的毒性可比性［14,15］。假如不同類型的有毒物質所對應的基因表達譜有特征的規(guī)律，那么，通過比擬對照樣本和有毒物質的基因表達譜，便可對各種不同的有毒物質進展分類，在此根底上通過進一步建立適宜的生物模型系統(tǒng)，便可通過基因表達譜變化來反響中藥對人體的毒性［4］。Kiela等［16］在研究印度乳香(BselliaserrataRxd)的提取物時發(fā)現(xiàn)該藥高劑量不僅不改善腸炎的病癥,而且利用基因芯片分析肝臟基因的表達譜時發(fā)現(xiàn),高劑量組中與脂質代謝相關的大量基因表達的失調,說明高劑量給藥時,該藥具有肝毒性。

2.4中藥有效成分挑選由于技術手段的限制，傳統(tǒng)的分析方法在中藥有效成分挑選方面大多集中在采用化學或物理方法對中藥的有機化學成分〔如黃酮類、甾醇類、苷類等〕進展分析及合成，然后利用細胞及動物評價藥效,關心的只是某一種中藥或某一種藥理作用,而完全無視了中藥特別是復方制劑的多重作用及中藥的整體治療觀。特別是采用有機溶劑提取化學成分的分析方法，與中藥的水煎口服以攝取水溶性成分為主的用藥途徑之間可能存在差異和矛盾。另一方面，由于很多中藥有效成分是以微量化學成分形式存在的，而傳統(tǒng)的有效成分分析、提取技術難以勝任這一工作。因此往往歷經千辛萬苦最終所獲甚少,即使偶有成功,也難成就中藥理論,進而疑心甚至不相信中藥理論的科學性。如何解決這類問題，是中藥現(xiàn)代化領域備受關注的焦點之一。而基因芯片技術是解決這一問題的主要手段。

中藥有效成分的挑選采用基因芯片進展基因表達程度檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。這給中藥有效成分的挑選提供了一種便利的方法。一種中藥有治療效果主要是通過調節(jié)機體局部或整體機能而實現(xiàn)。從基因組的觀點看，就是通過對基因的表達調控而起作用。據(jù)此，通過基因芯片技術，分析某種中藥成分使用前后整個機體的不同組織、器官基因表達差異，就可以從眾多的中藥成分中迅速挑選到起作用的有效成分。同時可以理解這種成分的作用靶點。這不僅僅是為了彌補傳統(tǒng)方法的缺陷，更重要的是在中藥新藥研究領域，建立全新的理念和先進的研究手段，使中藥現(xiàn)代化真正進入一個寬廣的良性開展的軌道。

據(jù)報道，香港科技大學生物技術研究所利用基因芯片技術已挑選到知母的23種有效成分，假如再從DNA表達文庫中得到的肽庫制作肽芯片，那么可以從眾多的藥物成分中挑選到起作用的局部物質。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.

2.5與藥物代謝轉化相關基因的研究討論中藥與其治療疾病基因間的作用關系,為豐富基因組學研究和推動中藥作用機理研究將起到積極的作用。在中藥中含有數(shù)百種甚至更多的具有生物活性的物質,它們對于維持人類的安康起了很大的作用,特別是一些植物的代謝產物,能影響細胞的信號傳遞、基因表達,最終影響整個生物體。有研究說明這些生物活性物質深度地影響了有機體的生長與發(fā)育,有機體的基因型也強烈地影響了對所攝取的分子的生理反響。不同的發(fā)病原因可能造成一樣的類型，而且不同的基因型會導致不同的疾病易感性和對藥物不同的耐受才能［17］。用藥也需因人而異。凡此種種，都是由不同個體的遺傳學差異引起的，從藥物反響的角度來說，是機體內的藥物應答相關基因決定了個體對藥物反響的差異。人群中存在的遺傳多態(tài)性對個體疾病易感性和藥物反響有影響。人類基因多態(tài)性在說明人體對疾并毒物的易感性與耐受性，疾病臨床表現(xiàn)的多樣性，以及對藥物治療的反響性上都起著重要作用［18］。而基因芯片提供了全基因組范圍的掃描多態(tài)性的工具，可以同時檢測一個個體成千上萬個多態(tài)性位點。檢測出各種單一成分或復方成分的藥物應答相關基因、以及各種成分對藥物應答相關基因的作用特點［19］。對少數(shù)個體用傳統(tǒng)的DNA測序等方法發(fā)現(xiàn)SNP，根據(jù)這些SNP信息設計芯片，就可以對大量個體進展再測序?；蛐酒腟NP分析可以幫助研究者將疾病患者分成“反響者〞和“非反響者〞，應用到中藥基因組學中，將可以預測那些個體可能會產生嚴重副反響，從而為每個患者選擇最適宜的藥物治療方案。此外，還可以利用基因芯片技術通過基因組掃描技術鑒定和疾病相關的點突變，開發(fā)和重新定義診斷方法，建立個體化藥物檢測指標，幫助預測治療反響［20～22］。

目前單核苷酸多態(tài)性只是用于作為基因組上的位置標記，希望利用它們在染色體上間隔的遠近找到與特定標記功能相關的多態(tài)性。這樣基因組范圍的相關研究，已經用于發(fā)現(xiàn)疾病易感基因，如哮喘和胰腺癌。但是這項技術也適用于定義那些涉及藥物反響的基因?；诨蛐蛯颊哌M展細分類，可以搶救一些在標準臨床實驗中因為無法承受的毒性發(fā)生率而被淘汰的有用的實驗藥物，這類藥物可能對某類細分人群毒副作用率低［23］。減少藥物的不必要淘汰，進步新藥批準率。

2.6中藥質量控制可以準確地鑒定中藥是保證中醫(yī)臨床用藥平安有效、可持續(xù)開展的前提。常規(guī)的中藥鑒定是采用性狀、顯微、物理、化學等方法。這種根據(jù)形態(tài)和解剖學特征及化學成分為根底來進展中藥材鑒定的方法有著方法簡便、易行等優(yōu)點。但是，當缺乏完好的形態(tài)構造，特別是對中藥復方制劑中藥用組分的鑒別，用常規(guī)的方法“鑒定〞就顯得異常復雜甚至無能為力?；蛐酒夹g為我們提供了一種全新的方法。我們可以從正品中藥的基因組中別離出DNA與基因芯片雜交就得出標準圖譜。從欲鑒定的中藥的基因組中別離出DNA與基因芯片雜交就得出工圖譜。通過比擬、分析這兩種圖譜，就可以得出欲鑒定中藥的DNA信息。從而可以便捷、準確進展單味中藥及中藥復方制劑的鑒別。這種基因芯片鑒定技術以其快速、高敏、經濟、平行化、自動化等特點，將成為中藥物種的分類鑒定、識別假冒偽劣藥材現(xiàn)代化的新技術。此外，用于檢測基因表達程度的DNA芯片已研究完成，應用該技術通過定量分析可進展復方制劑質量的標準化研究等。

楊忠等［24］首先提取來自多種貝母根莖的基因組DNA,對26SDNA基因D2與D3區(qū)的多態(tài)性片段進展直接測序,將針對不同種屬多態(tài)性片段的特異性寡核苷探針點制于經多聚賴氨酸處理包被的芯片。然后設計特定引物,用來自不同種屬貝母的PR產物與固定的寡核苷探針進展雜交,由于在PR反響過程中使用了熒光素標記的ddNTPs,不同貝母種屬即可在芯片不同位置檢測到熒光信號，從而提供了一種快速高效的集基因分型和中藥鑒別于一體的方法，顯示基因芯片技術可為植物種屬的驗證與質量控制提供一種快速、高質量的檢測工具。

除上述基因芯片在中藥基因組學研究中的應用外,利用基因新片技術還有助于從整個基因組的程度來說明重要的、常用的或珍稀瀕危品種的植物性中藥基因在染色體的位置、構造、基因及其產物的功能、基因與基因之間的互相關系,搞清功能基因和次生代謝的酶基因,進而進展“工廠化消費〞或“田間種植〞［25］。

3結論

我們的傳統(tǒng)中醫(yī)藥學在歷史上對中華民族的安康發(fā)揮了重大奉獻，但是和現(xiàn)代藥物相比擬，還具有很多缺點。我們應結合科學的整體論根底和現(xiàn)代的科學技術，將中醫(yī)藥學的優(yōu)秀思想和最先進的科學技術相結合，建立完善的中醫(yī)藥特色的基因組學，吸收現(xiàn)代醫(yī)藥學的優(yōu)點，揚長避短，才能完全發(fā)揮中醫(yī)藥的特色，科學解釋、開展和完善中藥學，使其成為一門嶄新的生命科學，為人類的安康作出新的奉獻。

將基因芯片技術應用到中藥基因組學，一方面可以加速中藥基因組學的開展，主要是利用基因芯片技術進展基因功能及多態(tài)性的研究，以確認與藥物效應相關的基因，并查明這些基因的多態(tài)性；另一方面利用中藥基因組學的研究成果，結合基因芯片技術，可以將人類按基因型分群，以實現(xiàn)中藥基因組學研究的目的和價值。因此基因芯片在中藥基因組學研究中有著重要地位。

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