生物學網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在寒證生物信息分析中的應(yīng)用探討

徐全壹,歐陽利民,王望華,孫玉文,譚從娥,陳 康,王米渠

(1.寧夏醫(yī)科大學中醫(yī)學院,寧夏 銀川 750004；2.成都中醫(yī)藥大學基礎(chǔ)醫(yī)學院,四川 成都 610072；3.陜西中醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學院,陜西 咸陽 712046)

隨著現(xiàn)代生命科學的不斷發(fā)展，寒證生物學基礎(chǔ)的研究進展與之緊密結(jié)合，而高通量生物學技術(shù)、生物信息學、系統(tǒng)生物學等新興交叉的學科將寒證的研究向著生物分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能的系統(tǒng)化研究方向發(fā)展[1]?？蒲袑W者認識到寒證是由生物分子之間的相互作用，以及與外界環(huán)境之間的物質(zhì)、能量和信息的交換出現(xiàn)障礙或者缺陷而產(chǎn)生。具體而言就是基因、RNA、蛋白質(zhì)、micRNA等生物分子和生物學過程介導(dǎo)的過多層次復(fù)雜的相互作用而發(fā)生的特定的病理過程。寒證生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將成為描述它們復(fù)雜的相互作用和系統(tǒng)行為的關(guān)鍵[1-2]。

1 生物信息與寒證研究

寒證是中醫(yī)證候研究中的一類復(fù)雜的難題，目前研究大量借助高通量的基因芯片以及數(shù)據(jù)處理的生物信息技術(shù)。沈自尹等[3]在腎陽虛的研究中發(fā)現(xiàn)自然衰老大鼠具有年齡依賴特征的199條表達基因，主要涉及神經(jīng)內(nèi)分泌免疫相關(guān)基因。呂誠[4]在研究類風濕關(guān)節(jié)炎的寒熱證候生物學差異中發(fā)現(xiàn)類風濕關(guān)節(jié)炎寒證候與熱證候之間有29個差異基因表達，其中7個基因在寒證高表達和22個基因在熱證高表達。潘玲等[5]研究溫補藥物治療腎陽虛證兄妹療效的分子生物學特征結(jié)果顯示得到84條共同表達基因，其中34條基因為已知功能基因，涉及到免疫、生長發(fā)育、基礎(chǔ)代謝等6大類。韓冰冰等[6]在虛寒證模型大鼠的肝全基因表達譜的研究中發(fā)現(xiàn)，虛寒證模型相關(guān)基因99條,其中涉及8個顯著性基因功能，包括免疫應(yīng)答，防御應(yīng)答，生物刺激應(yīng)答等；而虛寒治療后與虛寒模型組比較有212條基因差異表達，涉及31個顯著性基因功能，包括免疫應(yīng)答，炎癥應(yīng)答，防御應(yīng)答,趨化因子及受體活性,氧化還原酶活性等功能。楊麗萍等[7]在虛寒證家系研究中發(fā)現(xiàn)家系虛寒證差異表達的基因，其中只有2條基因與非家系組相同,家系虛寒證組差異功能分布相對集中,主要和能量代謝密切相關(guān)。楊紅亞等[8]對虛寒證的基因功能分析發(fā)現(xiàn)虛寒證的差異表達基因較集中在代謝與免疫2類基因。筆者在寒淫致病的研究[9]中發(fā)現(xiàn)ATP6V0D1基因和氧化磷酸化代謝通路與輕度“寒淫致病”密切相關(guān)。袁卓臖[10]在脾胃虛寒證的代謝組研究中發(fā)脾胃虛寒證血液中的標記物有現(xiàn)乳酸、低密度脂蛋白、丙氨酸、甘氨酸、葡萄糖、極低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、不飽和脂肪酸、磷脂酰膽堿。陳冬梅[11]研究發(fā)現(xiàn)虛寒證機體代謝產(chǎn)物中的乳酸、檸檬酸、琥珀酸、不飽和脂類、乙酰乙酸、谷氨酸、1.79 ppm處的未知化合物可作為虛寒證的生物標志物,并可作為深入研究虛寒證本質(zhì)的切入點。這些研究都不約而同的面臨著這樣的一個難題——數(shù)據(jù)量巨大[12]。研究都處在多基因或多化合物的多數(shù)據(jù)庫功能分類研究水平上進行探討，缺乏基因或化合物內(nèi)在聯(lián)系的具體呈現(xiàn)，缺乏共調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的呈現(xiàn)。中醫(yī)寒證研究恰恰需要整體網(wǎng)絡(luò)的呈現(xiàn)，回歸并體現(xiàn)出中醫(yī)證候獨有的特征。

2 寒證生物學網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

單個的不連續(xù)的生物學功能很少歸屬到單個細胞分子的作用。而大部分生物學特性是來自于細胞內(nèi)無數(shù)組分間的相互復(fù)雜作用，比如蛋白質(zhì)、DNA、RNA以及一些小分子間的相互作用[13]。因此，21世紀生物學的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是了解對構(gòu)建一個活細胞的結(jié)構(gòu)及功能起到作用的復(fù)雜細胞間相互作用網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其動態(tài)。高通量數(shù)據(jù)收集技術(shù)的發(fā)展，即可概括為分子微探針的廣泛應(yīng)用，允許在任何一個給定時間對細胞的各組分的狀態(tài)做同時信號探詢分析。相反，新的技術(shù)平臺，例如蛋白質(zhì)芯片或半自動酵母雙雜交篩選，能幫助確定這些分子是怎樣發(fā)生相互作用的。不同類型的交互作用網(wǎng)絡(luò),或其他網(wǎng)絡(luò)(包括蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用、代謝、信號和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等),都是來自于這些上述相互作用的集合。這些網(wǎng)絡(luò)沒有一個是獨立的，它們以“網(wǎng)絡(luò)群中的一個網(wǎng)絡(luò)”的組成形式對細胞的行為發(fā)揮作用。當代生物學的一個主要挑戰(zhàn)就是要登上一個集成理論與實驗的程序平臺來構(gòu)建圖示，理解并建立控制細胞行為的不同網(wǎng)絡(luò)的拓撲學及動態(tài)特性的可計量條件下的模型。隨著這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究的快速發(fā)展，已經(jīng)向著對不同復(fù)雜的技術(shù)及社會網(wǎng)絡(luò)的形成與進化起到控制作用的結(jié)構(gòu)原理邁進。這項研究也已經(jīng)對細胞生物學領(lǐng)域產(chǎn)生了影響，它引導(dǎo)人們對很大程度上與其他復(fù)雜系統(tǒng)(如網(wǎng)絡(luò)、芯片、社會)共享的單個細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)特性及分子相互作用的網(wǎng)絡(luò)加深了認識。比如呂誠[4]采用ICPA運算法則構(gòu)建差異基因的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了4個高聯(lián)接區(qū),GO功能分析寒證與Toll樣受體信號通路相關(guān)，而熱證與鈣離子信號通路、細胞黏附分子、PPAR信號通路以及脂肪酸代謝途徑相關(guān)。寒證證候研究者們，不但需要闡明不同細胞內(nèi)進程中單個分子的作用，研究對形成細胞間網(wǎng)絡(luò)所需的特定生物學詳細資料及進化起源，而且還需探究寒證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在實驗可觀察到的功能及行為特性上的影響。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建能夠顯示細胞網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模的特性，完成對小的基因通路的最新的全面理解，使得寒證研究充分體現(xiàn)出中醫(yī)整體性。

3 結(jié)語

大部分生物學特性是來自于細胞內(nèi)無數(shù)組分間的相互復(fù)雜作用，想要準確描繪出這些復(fù)雜的相互作用關(guān)系，僅僅依靠以往的研究方式[14]是很難成功的。生物學網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是當代生物信息學技術(shù)中解決該問題的主要手段，可以較為完整、全面的揭示各組分間是如何協(xié)同作用，共同完成一種生物學行為的[13]。這為寒證的生物分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成為了可能，從而更能體現(xiàn)出功能模塊，在復(fù)雜的分子生物層面上使微觀分子與宏觀模塊有機地結(jié)合，這對深入認識寒證的生物學內(nèi)涵具有積極的意義[1]，有利于將系統(tǒng)生物學和生物信息學與寒證研究相結(jié)合，為寒證研究提供了一條可行的途徑。

[1]李梢.中醫(yī)證候生物分子網(wǎng)絡(luò)標志的構(gòu)想與研究[J].中醫(yī)雜志,2009,50(9):773-776.

[2]楊紅亞,王米渠,丁維俊,等.論寒證的主客觀結(jié)合等4種研究方法[J].遼寧中醫(yī)雜志,2010,37(5):824-826.

[3]沈自尹,張新民,林偉,等.基于基因譜數(shù)據(jù)建立腎虛證量化數(shù)學模型[J].中國中西醫(yī)結(jié)合雜志,2008,28(2):131-134.

[4]呂誠.類風濕性關(guān)節(jié)炎寒熱證候分類的系統(tǒng)生物學基礎(chǔ)[D].北京:中國中醫(yī)科學院,2010.

[5]潘玲,王建國,王米渠,等.兄妹腎陽虛證溫補作用的系統(tǒng)生物學研究[J].遼寧中醫(yī)雜志,2009,36(2):193-196.

[6]韓冰冰,王世軍.比較虛寒證與虛熱證模型大鼠肝全基因表達譜的差異[J].北京中醫(yī)藥大學學報,2011,34(10):673-675.

[7]楊麗萍,陳四清,丁維俊,等.家系虛寒證與非家系虛寒證基因表達譜比較研究[J].中華中醫(yī)藥雜志,2011,26(7):1478-1481.

[8]楊紅亞,韓玉萍,徐全壹,等.虛寒證-基因組預(yù)選的代謝類基因功能模塊[J].時珍國醫(yī)國藥,2010,21(4):948-949.

[9]徐全壹,秦玉花,孫玉文,等.中醫(yī)“寒淫”致病的表達譜實驗研究[J].現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志,2012,21(13):1369-1370.

[10]袁卓臖.陽虛體質(zhì)、陰虛體質(zhì)與脾胃虛寒證、胃陰虧虛證的代謝組學比較研究[D].北京:北京中醫(yī)藥大學,2011.

[11]陳冬梅.虛寒證的證候規(guī)律及其代謝組學的研究[D].石家莊:河北醫(yī)科大學,2008.

[12]譚從娥,王米渠,馮文哲,等.生物信息學分析寒證海量數(shù)據(jù)的探索[J].中華中醫(yī)藥學刊,2008,26(12):2569-2571.

[13]Alexa A,Rahnenführer J,Lengauer T.Improved scoring of functional groups from gene expression data by decorrelating GO graph structure[J].Bioinformatics,2006,22(13):1600-1607.

[14]CHEN Gao,LU Cheng,ZHA Qing-lin,et al.A network-based analysis of traditional Chinese medicine cold and hot patterns in rheumatoid arthritis[J].Complementary Therapies in Medicine,2012,20(1-2):23-30.