中藥生物分子信息文獻(xiàn)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

江啟煜 何曉華 劉秀峰

摘要：隨著中醫(yī)藥藥理實(shí)驗(yàn)和生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展，中藥從宏觀到微觀層次已經(jīng)積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)信息，通過(guò)整合這些大數(shù)據(jù)，研發(fā)中藥生物分子信息文獻(xiàn)系統(tǒng)，具有重要意義。中藥生物分子信息文獻(xiàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“中藥-化學(xué)成份-靶蛋白-生物通路-文獻(xiàn)信息”的多層次信息檢索功能，并且具有蛋白基因關(guān)聯(lián)知識(shí)推理發(fā)現(xiàn)功能，能夠方便研究人員獲取中藥的所有相關(guān)化學(xué)成份、靶點(diǎn)、以及生物通路等數(shù)據(jù)信息，從而有助于分析中藥對(duì)疾病的分子作用機(jī)制，而且系統(tǒng)的推理功能能夠分析出兩個(gè)或多個(gè)靶點(diǎn)之間的相互作用關(guān)聯(lián)路徑，使研究人員進(jìn)一步探索多靶點(diǎn)之間的機(jī)制作用途徑。

關(guān)鍵詞：中藥;生物信息;文獻(xiàn)系統(tǒng);大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：R285? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.15.004

文章編號(hào)：1006-1959（2019）15-0010-04

Abstract：With the continuous development of traditional Chinese medicine pharmacology experiments and life science research， Chinese medicine has accumulated a large amount of experimental data and literature information from the macro to the micro level. It is of great significance to integrate the big data and develop the biomolecular information literature system of traditional Chinese medicine. The traditional Chinese medicine biomolecular information literature system can realize the multi-level information retrieval function of "Chinese medicine-chemical composition-target protein-biological pathway-document information"， and has the function of protein gene-related knowledge reasoning and discovery， which can facilitate researchers to obtain all relevant chemistry of traditional Chinese medicine. Data information such as components， targets， and biological pathways， which help to analyze the molecular mechanism of Chinese medicine on disease， and the system's reasoning function can analyze the interaction path between two or more targets， making research The personnel further explored the mechanism of action between multiple targets.

Key words：Traditional Chinese medicine;Biological information;Literature system;Big data

一直以來(lái)，中藥生物分子領(lǐng)域的專業(yè)數(shù)據(jù)和科技文獻(xiàn)資源缺乏，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資源離散分布于大量論文和文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)中，不利于科研人員的研究探索。因此，如何研發(fā)具有專業(yè)結(jié)構(gòu)性知識(shí)檢索功能以及知識(shí)發(fā)現(xiàn)推理功能的中藥生物分子信息數(shù)據(jù)文獻(xiàn)系統(tǒng)，將具有重要的科研意義。本研究基于多個(gè)著名的國(guó)際生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（如TCMID[1]、Pubchem[2]、HIT[3]、Reactome[4]、TCMSP[5]等），及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，將大量的中藥、化學(xué)成份、蛋白、基因、生物通路等生物信息大數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次的結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)整合，形成從宏觀到微觀的中藥-化學(xué)成份-蛋白（基因）-生物通路-文獻(xiàn)信息的多層次中藥生物分子關(guān)聯(lián)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)的研發(fā)將能夠?yàn)橹嗅t(yī)藥研究提供方便可靠的中藥生物分子信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析支持及文獻(xiàn)資源支撐，有力促進(jìn)中醫(yī)藥與生命科學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展，從中發(fā)現(xiàn)更多的科學(xué)突破，具有顯著現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值與推廣前景。

1系統(tǒng)提供的檢索模式

本系統(tǒng)支持三種檢索模式：?jiǎn)螏?kù)檢索、跨庫(kù)檢索、集群跨庫(kù)檢索。①單庫(kù)檢索：用戶選中某個(gè)數(shù)據(jù)子庫(kù)，輸入檢索詞或組合檢索式，返回其在本數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)信息。例如選擇中藥子庫(kù)檢索中藥名返回該中藥的標(biāo)準(zhǔn)藥名、功效、屬性、分類等信息，選擇選擇文獻(xiàn)信息子庫(kù)檢索中藥名返回該中藥的相關(guān)文獻(xiàn)信息。②跨庫(kù)檢索模式：該模式是本平臺(tái)的檢索特色，用戶選擇同時(shí)檢索的幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并輸入檢索詞，返回其在其它子庫(kù)的所有關(guān)聯(lián)信息，節(jié)省了用戶層層檢索查詢的時(shí)間。例如用戶需要查找一個(gè)化學(xué)成份對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)（靶蛋白）信息和相關(guān)文獻(xiàn)，按照現(xiàn)有的檢索方法，用戶必須先檢索出該化學(xué)成份相應(yīng)的每一個(gè)靶點(diǎn)，再檢索出每一個(gè)靶蛋白相應(yīng)的文獻(xiàn)。而在本跨庫(kù)檢索模式下，用戶只需選中化學(xué)成份-蛋白子庫(kù)以及文獻(xiàn)信息子庫(kù)，輸入檢索詞或組合檢索式，即可直接返回該化學(xué)相應(yīng)的所有靶蛋白信息以及相應(yīng)的文獻(xiàn)信息。③集群跨庫(kù)檢索模式：與跨庫(kù)檢索模式類似，但該模式可支持同時(shí)輸入多個(gè)中藥，多個(gè)化學(xué)成份（化學(xué)成份集），或多個(gè)蛋白基因（蛋白基因集）進(jìn)行檢索，該功能更有利于藥物機(jī)制的探索分析和新藥開(kāi)發(fā)研究，因?yàn)楹芏嘀兴幇l(fā)揮作用都是通過(guò)多成份多靶點(diǎn)的綜合作用。例如已知某疾病的主要靶點(diǎn)集中在若干靶蛋白上，將這些靶蛋白通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行集群跨庫(kù)檢索，即能獲得這些靶點(diǎn)相應(yīng)的中藥有效化學(xué)成份。

2系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1中藥基本信息檢索? 每一種中藥，能夠檢索的信息字段包括ID、標(biāo)準(zhǔn)藥名、同義藥名、拼音名、英文名、功效、性能、分類等。應(yīng)用該檢索功能，能夠獲取中藥相關(guān)的一般信息，及其化學(xué)成份與靶點(diǎn)列表。在系統(tǒng)檢索界面中選中“中藥”選項(xiàng)卡，并在檢索框輸入檢索詞，點(diǎn)擊檢索后，將在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)相應(yīng)字段進(jìn)行模糊檢索并返回相應(yīng)結(jié)果。系統(tǒng)除了檢索中藥名字段外，也同時(shí)檢索同義藥名字段。例如檢索“大黃”或者“川軍”，系統(tǒng)將返回大黃的標(biāo)準(zhǔn)藥名、同義藥名、拼音名、英文名、功效、性能、分類等信息，并且以列表鏈接的形式，枚舉該中藥相關(guān)的所有化學(xué)成份以及靶點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)擊上述列表中的具體某個(gè)化學(xué)成份或靶點(diǎn)時(shí)，分別跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的化學(xué)成分以及靶點(diǎn)的具體信息頁(yè)面。用戶通過(guò)利用系統(tǒng)的該項(xiàng)檢索功能，不但能夠方便收集中藥的一般信息，而且能夠系統(tǒng)性地研究某一類功效性能的中藥的共性靶點(diǎn)或參與的生物通路。系統(tǒng)界面如圖1所示。

2.2中藥-化學(xué)成份-靶蛋白檢索? 每個(gè)中藥包含許多有效化學(xué)成份（小分子化合物），每個(gè)化學(xué)成份可能對(duì)應(yīng)數(shù)千個(gè)靶蛋白（靶點(diǎn)），靶蛋白間的相互作用關(guān)系有數(shù)十萬(wàn)條以上，大量的靶蛋白又參與了人體許多不同的生物通路，所以從宏觀到微觀層次的數(shù)據(jù)量非常復(fù)雜與巨大。系統(tǒng)能夠檢索的某個(gè)中藥具體的化學(xué)信息（圖2）及靶點(diǎn)信息（圖3）包括：化學(xué)成份名、化學(xué)成份對(duì)應(yīng)的CAS號(hào)、inchkey、化學(xué)成份作用的靶蛋白全名、靶蛋白Symbol 號(hào)及其Uniport ID。在系統(tǒng)檢索主界面選中“化學(xué)成份”選項(xiàng)卡，并在檢索框輸入檢索詞，點(diǎn)擊檢索后，系統(tǒng)將在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)相應(yīng)字段進(jìn)行模糊檢索，例如檢索“alpha-Curcumene”，系統(tǒng)將返回alpha-Curcumene的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)名、同義名、CAS號(hào)、inchkey等信息，并且以列表鏈接的形式，枚舉該化學(xué)成份相關(guān)的所有中藥及靶點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)擊上述列表中的具體某個(gè)中藥或靶點(diǎn)時(shí)，分別跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中藥以及靶點(diǎn)的具體信息頁(yè)面。如果在主界面選中“靶點(diǎn)”選項(xiàng)卡，并在檢索框輸入檢索詞，點(diǎn)擊檢索后，系統(tǒng)將在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)相應(yīng)字段進(jìn)行檢索，并返回靶點(diǎn)的靶蛋白全名、靶蛋白Symbol 號(hào)、Uniport ID，及其參與的生物通路，并以列表鏈接的形式，枚舉該靶點(diǎn)相關(guān)的所有中藥及化學(xué)成份?？梢?jiàn)本系統(tǒng)的中藥-化學(xué)成份-靶蛋白的多層次生物信息是環(huán)環(huán)相扣的，用戶只需要在如何一個(gè)信息層次入口檢索，其相關(guān)的所有其它層次信息，都將會(huì)被檢索顯示，這樣的功能設(shè)計(jì)將有利于用戶進(jìn)行中藥、化學(xué)成份、靶蛋白任何一個(gè)信息點(diǎn)的信息收集與應(yīng)用。因此，在實(shí)際研究中，用戶可以通過(guò)該系統(tǒng)直接檢索某個(gè)中藥的所有相關(guān)化學(xué)成份，靶點(diǎn)，以及生物通路，從而進(jìn)一步分析藥物靶點(diǎn)與已知疾病靶點(diǎn)的相互作用，明確中藥對(duì)疾病的分子作用機(jī)制。

2.3中藥-化學(xué)成份-靶蛋白相關(guān)文獻(xiàn)檢索? 本系統(tǒng)提供中藥，化學(xué)成份，以及靶蛋白的相關(guān)文獻(xiàn)信息檢索功能。在系統(tǒng)檢索主界面中選中“文獻(xiàn)”選項(xiàng)卡，并在檢索字段中選擇檢索字段，并輸入檢索詞，最后選擇檢索的邏輯運(yùn)算條件，點(diǎn)擊檢索后，系統(tǒng)將進(jìn)行相應(yīng)字段的模糊檢索并返回相應(yīng)檢索結(jié)果。可以選擇的檢索字段包括：題名，作者，刊物，出版年份，摘要。檢索的邏輯運(yùn)算條件包括AND和OR。進(jìn)行檢索后，系統(tǒng)將返回滿足條件的文獻(xiàn)鏈接列表，每個(gè)文獻(xiàn)鏈接點(diǎn)擊后返回該文獻(xiàn)的FAU（作者）、TI（文題）、JT（刊名）、DP（出版時(shí)間）、PG（頁(yè)碼）、AB（摘要）、SO（出版信息）等字段信息。系統(tǒng)界面見(jiàn)圖4。例如檢索式為T(mén)I=“Glutamate receptor 3” And? AB=“Interleukin-2”，則返回文題包含“Glutamate receptor 3”并且摘要包含“Interleukin-2”的所有中藥相關(guān)文獻(xiàn)。 通過(guò)系統(tǒng)的該項(xiàng)文獻(xiàn)檢索功能，用戶能夠方便快速獲取許多中藥相關(guān)的研究文獻(xiàn)信息，獲取中藥的相關(guān)研究動(dòng)態(tài)，而不需要使用第三方的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行進(jìn)一步的檢索。

2.4蛋白基因關(guān)聯(lián)知識(shí)發(fā)現(xiàn)推理? 由于中藥-化學(xué)成份-靶蛋白之間具有相互關(guān)聯(lián)作用，從而可以生成關(guān)聯(lián)矩陣，通過(guò)特定的算法構(gòu)建復(fù)雜關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以針對(duì)特定的檢索詞串，從復(fù)雜關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，以最短路徑為依據(jù)，搜索相關(guān)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，并生成輸出關(guān)聯(lián)拓?fù)渥泳W(wǎng)絡(luò)，是解析中藥作用機(jī)制的關(guān)鍵。在系統(tǒng)主界面中點(diǎn)擊“推理預(yù)測(cè)”，并輸入兩個(gè)或多個(gè)檢索詞，系統(tǒng)將返回這些檢索詞的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。例如用戶可以通過(guò)系統(tǒng)的推理功能，將某個(gè)藥物靶點(diǎn)與某個(gè)疾病靶點(diǎn)作為檢索詞輸入，此時(shí)系統(tǒng)將能計(jì)算該藥物靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)的關(guān)聯(lián)作用路徑，從而能夠解析作用機(jī)制?；蛘哂脩魧蓚€(gè)或多個(gè)藥物靶點(diǎn)作為檢索詞輸入，即能夠分析出這兩個(gè)或多個(gè)藥靶之間的相互作用關(guān)聯(lián)路徑，因此該功能有重要?jiǎng)?chuàng)新意義，見(jiàn)圖5。

3總結(jié)

傳統(tǒng)中醫(yī)藥的不斷傳承與當(dāng)前中醫(yī)藥的現(xiàn)代化發(fā)展是相輔相成的，通過(guò)生物信息大數(shù)據(jù)的整合以及文本挖掘技術(shù)，研發(fā)中藥生物分子信息文獻(xiàn)系統(tǒng)，能夠有助于更深入從宏觀到微觀多層次揭示中藥的藥理分子機(jī)制，闡析中醫(yī)藥的科學(xué)內(nèi)涵，促進(jìn)中醫(yī)藥的科學(xué)化與信息化。隨著中藥化學(xué)成份與靶點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的巨量增長(zhǎng)，本系統(tǒng)將更加突出中醫(yī)藥大數(shù)據(jù)的特色，知識(shí)發(fā)現(xiàn)推理能力亦趨強(qiáng)大，更能滿足用戶的需求。

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收稿日期：2019-1-25;修回日期：2019-2-5

編輯/肖婷婷