生物信息學在中藥研究中的應(yīng)用

白羽　趙文秀　徐廣宇

摘要 通過查閱文獻，討論近年生物信息學在中藥資源研究、中藥材鑒別及中藥功能基因篩選方面的應(yīng)用，希望生物信息學與其他學科的結(jié)合為中藥的發(fā)展帶來契機。

關(guān)鍵詞 生物信息學；中藥；中藥材鑒別

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0046-02

中藥是中華民族的瑰寶，歷史悠久，已經(jīng)延續(xù)了2000多年。但是在新時代的今天，中藥卻不能被國際市場接受，主要是因為中藥的靶點、治療機理不清，缺乏合適的質(zhì)量和藥效評價體系。中藥現(xiàn)代化就是使中藥與國際社會接軌，而接軌成功與否就在于中藥的作用機理是否明確。

生物信息學簡單來說就是將分子生物學與計算機信息學結(jié)合在一起的新的交叉學科，即通過計算機編程對基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組的相關(guān)信息進行綜合處理的一門學科。如今，生物信息學在很多方面都有廣泛的應(yīng)用，尤其在中醫(yī)藥方面的應(yīng)用比較多。如預(yù)測中藥治療疾病機制研究、中藥抑制癌細胞轉(zhuǎn)移程度或預(yù)測臨床療效等。因此，將生物信息學應(yīng)用在中藥的作用機理研究方面，對中藥現(xiàn)代化具有重要的意義。本文通過查閱文獻，主要討論近年生物信息學在中藥資源研究、中藥材鑒別及中藥功能基因篩選方面的應(yīng)用，希望生物信息學與其他學科的結(jié)合能夠為中藥的發(fā)展帶來契機。

1 生物信息學在中藥資源研究中的應(yīng)用

隨著世界經(jīng)濟一體化進程的加快，人們生活水平不斷提高，副作用小的藥品以及使用中藥進行養(yǎng)生保健等越來越被人們所需求，同時中藥的需求量逐年加大，甚至供不應(yīng)求，進行中藥資源全面研究已經(jīng)迫在眉睫。近年來，生物信息學在中藥資源研究中的應(yīng)用有所發(fā)展，所用的技術(shù)也在不斷增加。

生物云計算 生物云計算是大規(guī)模存儲和高性能計算的集合體，是實現(xiàn)超大規(guī)模生物信息學計算的核心內(nèi)容，在處理大型數(shù)據(jù)、移動數(shù)據(jù)等方面可以達到簡化的效果。近年來，生物云計算平臺的搭建也有相關(guān)的報道，如基于水稻功能組學研究的TTRSIS的建設(shè)和基于植物科學IPlantAtmosphere的提出。中藥資源的研究也面臨海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，將生物信息學的云計算手段運用到中藥資源研究中已經(jīng)是必然趨勢。

基因組比較 基因組比較稱為比較基因組學。自古以來，藥用植物種類繁多，在這些藥用植物中有很多都具有較近的親緣關(guān)系，如人參和三七都是五加科植物，但藥效不同。還有的就是同一種藥用植物生長在不同的地域會出現(xiàn)藥效差異很大的現(xiàn)象，道地藥材與普通藥材的差別就能充分說明這一點。這些差異可以通過它們之間的基因組序列比較、得到進化關(guān)系等信息來解釋。通過對同一物種的不同個體進行基因組比較，可以發(fā)現(xiàn)它們之間的差異，很有可能這些差異就是造成中藥藥效差異的遺傳基礎(chǔ)。

2 生物信息學在中藥材鑒別中的應(yīng)用

在中藥材的鑒定中一直沿用四種鑒定方法，即來源鑒定、性狀鑒定、理化鑒定、顯微鑒定。隨著后基因組的到來，生物信息學也被用于中藥材的鑒定當中。

生物芯片技術(shù) 生物芯片是指包被在硅片、尼龍膜等固相支持物上的高密度的組織、細胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類以及其他生物組分的微點陣，具有大數(shù)據(jù)、快速化、自動化的特點。它已經(jīng)在水稻、玉米、大豆等農(nóng)作物中有很多應(yīng)用。目前，已經(jīng)開發(fā)出很多新的芯片技術(shù)在中藥鑒定研究中都有應(yīng)用，如質(zhì)子束直寫技術(shù)、數(shù)字微流控芯片、三維生物芯片、一次性的塑料生物芯片等。這些技術(shù)在中藥序列分析鑒別中的應(yīng)用越來越受到人們的重視，其中運用生物芯片技術(shù)鑒定中藥貝母取得良好的效果。

川貝母由于鎮(zhèn)咳祛痰的效果顯著、副作用小、價格昂貴，偽品屢見不鮮。已經(jīng)有學者對川貝母、浙貝母、皖貝母和湖北貝母等四種主要貝母品種的5SrRNA序列進行分析，發(fā)現(xiàn)川貝母有一種特異性的堿基序列CTTTTGTCGCATCA，以此序列作為探針，制成芯片，將待測樣品提取DNA并經(jīng)擴增和熒光標記后與芯片上探針進行雜交，通過熒光檢測即可準確鑒定出川貝母。

DNA條形碼 條形碼在日常生活中是很常見的，它為人們的生活提供了便利。但是，對DNA條形碼很多人還不是太熟悉。中藥DNA條形碼技術(shù)的原理是對中藥材基因組中的特定基因進行片段擴增，然后測序，發(fā)現(xiàn)其堿基變化的規(guī)律。有學者通過大樣本量系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，ITS2作為藥用植物標準DNA條形碼，psbA-trnH作為ITS2的補充序列。如今已經(jīng)建立全世界第一個針對中藥材的DNA條形碼數(shù)據(jù)庫（Medicinal Materials DNA Barcode Database），提供藥材的基本數(shù)據(jù)和相片，對中藥材的分子鑒定很有參考價值。在鑒定中藥材時常用的數(shù)據(jù)庫是NCBI的Nucleotide數(shù)據(jù)庫、歐洲生物信息學研究所（EBI）的EMBL-DNA數(shù)據(jù)庫和日本DNA數(shù)據(jù)庫（DDB3），其中NCBI是最常用的。

系統(tǒng)發(fā)育樹 系統(tǒng)發(fā)育樹也稱系統(tǒng)進化樹，是基于分子數(shù)據(jù)差異（不同的基因或DNA片段它們之間存在的進化速率差異）來研究物種的形成或進化過程和機制，以及物種之間的進化關(guān)系的一門學科。它是生物信息學的一個重要分支。隨著基因數(shù)據(jù)的海量增長，系統(tǒng)發(fā)育樹的應(yīng)用越來越流行?；诜肿拥倪M化研究已經(jīng)應(yīng)用到許多方面，如基因進化、確定親緣關(guān)系、對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行預(yù)測、尋找未知基因的功能等。在中藥材鑒別中，可以找到不同種群間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，也可以找到相同種群的不同藥材的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。世界上所有的物種均來自于同一個祖先，所以任何兩個物種都具有相關(guān)關(guān)系，只不過它們經(jīng)過時間的洗禮，變異會造成物種的滅亡和分離。滅亡和分離是在特定的時間段發(fā)生的，物種的進化就如一棵樹，樹杈都是進化來的，通過系統(tǒng)發(fā)育樹可以找到物種的異同。因此，它對中藥材易混品種的鑒別極其有效，人們已經(jīng)在進行這方面的研究。

3 生物信息學在中藥功能基因篩選中的應(yīng)用

中藥功能基因的篩選有助于更進一步了解疾病的產(chǎn)生過程和作用機制，以及對疾病的預(yù)防、治療和診斷奠定基礎(chǔ)。近些年，通過中藥功能基因的篩選來確定基因能否可以成為藥物的靶點或直接作為藥物應(yīng)用逐年流行起來。

SAGE技術(shù) SAGE（system analysis of genes express，基因表達系統(tǒng)分析技術(shù)），可以用于檢測DNA芯片不能檢測的基因，不必考慮檢測基因是已知的還是未知的；可以用來分析一個細胞的全部轉(zhuǎn)錄本信息，也可以用于基因的定性和定量分析。SAGE技術(shù)在醫(yī)學、藥學、生物學方面都有廣泛的應(yīng)用，但是在中藥功能基因篩選方面的應(yīng)用還是比較少的。

EST技術(shù) EST（Expressed Sequence Tag，表達序列標簽）技術(shù)最早應(yīng)用于尋找人類新基因、繪制人類基因組圖譜等領(lǐng)域。目前，也有學者利用EST技術(shù)創(chuàng)建中藥藥用植物數(shù)據(jù)庫，如建立長春花葉子和根尖的cDNA文庫，對于長春花的轉(zhuǎn)錄分析和功能基因發(fā)現(xiàn)提供了很好的資源。還利用EST建立了很多種類植物的基因數(shù)據(jù)庫，比如人參、甘草等。因此，利用EST技術(shù)建立中藥藥用植物基因數(shù)據(jù)庫，對中藥藥用植物功能基因的篩選和利用創(chuàng)造了有利條件。

4 展望

中藥是先輩留下的一筆無價的財富，是我國人民長期同疾病作斗爭的極為豐富的經(jīng)驗總結(jié)，對于中華民族的繁榮昌盛有著巨大的貢獻。它從《神農(nóng)本草經(jīng)》開始，經(jīng)歷了很長的一段輝煌的時期，但是在我國經(jīng)歷的將近一個世紀的不穩(wěn)定局勢之中，中藥的發(fā)展趨于停滯狀態(tài)，這也是讓人汗顏的地方。近些年人們生活水平提高了，國內(nèi)外對中藥都重視起來，這是發(fā)展中藥的最佳時機。生物信息學與其他學科的結(jié)合，將會為中藥的發(fā)展帶來契機，隨著中外醫(yī)藥交流更加頻繁、深入和廣泛，中藥事業(yè)必能繼往開來，取得更加輝煌的成就。