系統(tǒng)生物學(xué)方法的中醫(yī)藥應(yīng)用研究進(jìn)展*

王義翠，劉延鑫，楊 念，徐華明

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.河南中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥科學(xué)院，河南 鄭州 450046)

中醫(yī)藥已經(jīng)發(fā)展了數(shù)千年，源于臨床經(jīng)驗(yàn)和整體觀念[1]。系統(tǒng)生物學(xué)包括基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)及元基因組學(xué)，每種組學(xué)研究均有各自的特點(diǎn)和側(cè)重。目前又出現(xiàn)了多組學(xué)聯(lián)合研究的方法，已經(jīng)成為系統(tǒng)生物學(xué)中常用的研究手段，不僅可了解生命體的基因組成特點(diǎn)，還可對其下游關(guān)聯(lián)蛋白、代謝物等功能產(chǎn)物的表達(dá)進(jìn)行針對性的分析[2]。系統(tǒng)生物學(xué)方法可以為中醫(yī)藥現(xiàn)代化提供更加全面和廣闊的資源[3]。中醫(yī)藥研究需重視整體性。比如：中藥復(fù)方包含很多中藥分子，許多不同的分子參與了整體效應(yīng)，其復(fù)雜性往往會(huì)阻礙生物效應(yīng)如分子機(jī)制和靶點(diǎn)的鑒定。系統(tǒng)生物學(xué)方法超越了靶向特異性和單分子藥理學(xué)，涵蓋了一個(gè)生物系統(tǒng)在分子、細(xì)胞和組織等多級多分子靶點(diǎn)上，因此，利用生物信息學(xué)分析，將改變不同實(shí)驗(yàn)水平的研究方式，解決此類問題。研究者可以借助系統(tǒng)生物學(xué)研究混合物共同作用的分子效應(yīng)，并借助生物信息學(xué)，從整體角度看待這些效應(yīng)對生物系統(tǒng)的影響。同時(shí)，高通量分析和生物信息分析可用于草藥和植物提取物的指紋鑒定[4]。中藥包含的復(fù)雜信息影響了西方生物醫(yī)學(xué)對中醫(yī)藥的接受，也阻礙了它與西醫(yī)實(shí)踐的融合，而系統(tǒng)生物學(xué)方法為解決中藥復(fù)方和單味中藥生物學(xué)效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)化提供了可能。本文就系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)藥研究的應(yīng)用做一綜述，并對發(fā)展前景提出展望，為利用系統(tǒng)生物學(xué)方法研究中醫(yī)藥提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)藥研究的應(yīng)用

系統(tǒng)生物學(xué)可以代表一種單點(diǎn)(或多點(diǎn))與生物的相互作用模式，這與中醫(yī)藥學(xué)的多靶點(diǎn)、整體觀的思維有相似性，也與中醫(yī)理論指導(dǎo)下用藥規(guī)律具有相通性。中醫(yī)藥對疾病的干預(yù)屬于一種動(dòng)態(tài)的藥物系統(tǒng)與人體系統(tǒng)的相互作用，與西醫(yī)基于單一實(shí)體或單一靶點(diǎn)的作用不同[5]。系統(tǒng)生物學(xué)對多種疾病的發(fā)病機(jī)制和中醫(yī)藥干預(yù)研究屬于另外一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的研究，所涉及的問題均可以通過系統(tǒng)生物學(xué)如基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)和代謝組等來解決[6]。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的是生物體體內(nèi)可表達(dá)的基因，與基本上是靜態(tài)的基因組不同。轉(zhuǎn)錄組學(xué)是高度動(dòng)態(tài)的，實(shí)時(shí)反映細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)，能實(shí)時(shí)反映中醫(yī)藥干預(yù)疾病的相應(yīng)信號通路的狀態(tài)。蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)都是轉(zhuǎn)錄組學(xué)中基因表達(dá)的改變而引起的，是整個(gè)過程在蛋白質(zhì)和代謝物層面的最終結(jié)果。中醫(yī)藥干預(yù)疾病目前采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)較多，為中醫(yī)藥發(fā)展開辟出一條新的途徑。

1.1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科，從核糖核酸(RNA)水平研究一個(gè)活細(xì)胞所能轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的總和，是研究細(xì)胞表型和功能的重要方法。轉(zhuǎn)錄組學(xué)中包含了對時(shí)間和空間的限定，因?yàn)椴煌M織細(xì)胞攜帶的基因物質(zhì)是相同的(人類基因組大概包含30億個(gè)堿基對)，但對相同的一套基因轉(zhuǎn)錄成mRNA的只有其中5億個(gè)基因，而最終被翻譯生成蛋白質(zhì)的更少。即使是同一細(xì)胞在不同的生長環(huán)境和不同的生長時(shí)期，其基因的表達(dá)情況也是不完全相同的。

羅喬荔等[7]探究了拉斯穆森綜合征患者腦組織的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征，結(jié)果顯示，患者與對照腦組織差異表達(dá)基因(differentially expressed genes，DEGs)譜存在明顯差異，共篩選出1 285個(gè)DEGs，其中782個(gè)(占60.9%)下調(diào)，503個(gè)(占39.1%)上調(diào)。上調(diào)表達(dá)的DEGs主要富集于神經(jīng)元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的通路，下調(diào)表達(dá)的DEGs主要富集于細(xì)胞骨架、細(xì)胞周期及趨化作用相關(guān)的通路。潘媛等[8]采用高通量測序技術(shù)對不同發(fā)育時(shí)期的川佛手果實(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，篩選獲得3 379個(gè)差異基因，主要集中在信號傳導(dǎo)、生物調(diào)控、代謝等生物過程，富集到淀粉、蔗糖的代謝，苯丙素、類黃酮的生物合成等代謝通路。Cazanave等[9]采用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對非酒精性脂肪性肝病進(jìn)行研究，篩選出多個(gè)DEGs，主要涉及脂肪肝發(fā)生發(fā)展過程中脂質(zhì)氧化、氧化應(yīng)激途徑與脂肪生成。

潘媛等[8]對不同發(fā)育時(shí)期的川佛手果實(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，獲得3 379個(gè)DEGs，為進(jìn)一步挖掘川佛手有效成分生物合成過程中的關(guān)鍵基因，解析調(diào)控其有效成分生物合成途徑。徐世強(qiáng)等[10]利用轉(zhuǎn)錄組測序分析黃金艾蒿主要代謝成分合成途徑的關(guān)鍵基因，獲得45 494個(gè)DEGs，研究結(jié)果為下一步有針對性地研究黃金艾蒿的代謝物質(zhì)活性、開展黃酮類化合物合成關(guān)鍵基因的功能的研究奠定了基礎(chǔ)。胡淵龍等[11]整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討黃芪-白術(shù)藥對治療慢性阻塞性肺疾病(COPD)的機(jī)制,功能富集分析顯示核心靶標(biāo)功能表現(xiàn)在炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、血管新生3個(gè)方面，表明黃芪-白術(shù)藥對改善炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、血管新生的作用是治療COPD的潛在關(guān)鍵機(jī)制。惠振等[12]采用RNA-seq技術(shù)分析復(fù)方通絡(luò)飲治療腦梗死的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征，結(jié)果表明，復(fù)方通絡(luò)飲在腦梗死后可能通過干預(yù)細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移與黏著斑功能以減少炎癥反應(yīng)、減輕腦水腫從而發(fā)揮保護(hù)作用。朱靜等[13]對廣藿香干預(yù)的營養(yǎng)性肥胖大鼠的肝臟進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)測序，結(jié)果表明，芳香化濕藥物廣藿香對營養(yǎng)性肥胖大鼠的降脂作用可能是通過調(diào)控胰島素信號通路中相關(guān)基因和蛋白表達(dá)來實(shí)現(xiàn)的。汪頎浩等[14]采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)研究了附子對鹽酸普羅帕酮致急性心力衰竭大鼠的作用機(jī)制，表明其可能與調(diào)控磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide-3 kinase，PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B)、Janus激酶(janus kinase，JAK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(siganal transducer and activator of transcription，STAT)信號通路有關(guān)。

1.2 蛋白質(zhì)組學(xué)

由于翻譯調(diào)控和翻譯后調(diào)控的存在，RNA 的表達(dá)量與實(shí)際對應(yīng)蛋白質(zhì)的含量還會(huì)存在變化，因此，想要精細(xì)了解生物體內(nèi)蛋白質(zhì)組的定量信息，直接觀察蛋白質(zhì)組學(xué)的變化也是一種直接解決問題的方案。

梁瑞強(qiáng)等[15]通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)手段找到適用于藥材全蝎含量測定的目標(biāo)蛋白質(zhì)及其特征肽段，用該特征肽段形成定量方法。許凱霞等[16]探討左歸丸含藥血清對高糖負(fù)荷下體外培養(yǎng)ICR小鼠早期胚胎影響的蛋白質(zhì)組學(xué)機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高濃度葡萄糖不利于胚胎發(fā)育與健康，左歸丸含藥血清可通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)液中相關(guān)蛋白通路保護(hù)胚胎發(fā)育、改善或預(yù)防糖耐量低減和糖尿病等相關(guān)疾病。許宏欽等[17]采用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究了消癌解毒方對肝癌大鼠脂質(zhì)代謝的影響，發(fā)現(xiàn)差異蛋白主要富集于代謝類別，主要與脂質(zhì)代謝相關(guān)，在類固醇激素生物合成、脂肪酸降解、過氧化物酶體增殖物激活受體通路上有明顯富集。饒希午等[18]采用蛋白質(zhì)組學(xué)分析清熱解毒法作用于肝癌大鼠的血清蛋白差異表達(dá)，結(jié)果表明，差異表達(dá)蛋白主要參與了代謝、炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)控、自噬、熱休克、氧化應(yīng)激、細(xì)胞周期與凋亡、細(xì)胞生長與分化、基質(zhì)降解、血管生成、腫瘤轉(zhuǎn)移、癌相關(guān)、肝再生修復(fù)等，研究證實(shí)清熱解毒法(白花蛇舌草、半枝蓮)作用于肝癌大鼠有多靶點(diǎn)、多中心的調(diào)控作用。孫夢盛等[19]通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)寬筋藤可能通過上調(diào)網(wǎng)格蛋白、囊泡生成轉(zhuǎn)運(yùn)及神經(jīng)遞質(zhì)釋放相關(guān)蛋白，促進(jìn)了神經(jīng)遞質(zhì)的合成與釋放，改善了腦內(nèi)膽堿功能，從而發(fā)揮干預(yù)阿爾茨海默病的病理進(jìn)程的作用。苗玉發(fā)等[20]研究了酮康唑和四氯化碳致大鼠肝細(xì)胞損傷后血清中的差異蛋白，鑒定出的4種差異蛋白可以作為肝細(xì)胞損傷的潛在生物標(biāo)志物。饒希午等[21]觀察了臨床驗(yàn)方消癌解毒方的益氣養(yǎng)陰組分藥物太子參和麥冬對肝癌大鼠血清蛋白差異表達(dá)的影響，證實(shí)益氣養(yǎng)陰法作用于肝癌大鼠有多靶點(diǎn)、多中心的調(diào)控作用。研究者[22]通過二維電泳圖譜研究了鉤藤堿對大鼠腦組織的額葉皮質(zhì)和海馬的蛋白質(zhì)組學(xué)變化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了不同腦部位顯著變化的差異蛋白質(zhì)，還發(fā)現(xiàn)鉤藤發(fā)揮作用可能與其所含的鉤藤堿對巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子和親環(huán)蛋白A的表達(dá)的抑制作用有關(guān)，證明了鉤藤及其主要成分鉤藤堿的抗驚厥作用與其氧自由基的清除活性密切相關(guān)。另有研究者[23]采用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究了紫龍金對MCF-7細(xì)胞中蛋白質(zhì)表達(dá)的影響，鑒定出了表達(dá)顯著差異的蛋白質(zhì)，涉及蛋白質(zhì)翻譯、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞骨架形成和轉(zhuǎn)運(yùn)等生物活動(dòng)。

1.3 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)是對生物體內(nèi)所有小分子代謝物進(jìn)行定量分析，并尋找與機(jī)體生命活動(dòng)、病理變化相對應(yīng)的代謝物質(zhì)的研究方法。代謝物的生成直接反映了細(xì)胞的生存環(huán)境，與機(jī)體內(nèi)環(huán)境、細(xì)胞狀態(tài)、藥物和外界因素的影響密切相關(guān)。代謝途徑相互混合、相互作用，在任何一個(gè)水平(轉(zhuǎn)錄、蛋白)的代謝通路中，干擾任何一個(gè)代謝通路都會(huì)擾動(dòng)下游結(jié)果，從而影響最終的系統(tǒng)生物學(xué)表型。

有學(xué)者[24]研究了腎陽虛證的代謝特征和中藥骨碎補(bǔ)的干預(yù)效果，結(jié)果表明，腎陽虛證恢復(fù)效果具有時(shí)間依賴性，其間體內(nèi)一些代謝物具有很明顯的改變，如苯丙氨酸、苯乙酰甘氨酸、N2-琥珀酰-L-鳥氨酸等，這些發(fā)生變化的代謝物與能量代謝紊亂、氨基酸代謝和腸道微生物群有關(guān)。另有學(xué)者[25]采用血漿代謝組學(xué)與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相結(jié)合的方法探討莪術(shù)在血瘀治療中的作用機(jī)制，采用代謝組學(xué)篩選出26種潛在的急性血瘀代謝標(biāo)志物，代謝途徑分析顯示莪術(shù)可改善血瘀證的作用機(jī)制主要與脂代謝和氨基酸代謝有關(guān)。徐世強(qiáng)等[11]通過非靶向代謝組學(xué)鑒定黃金艾蒿葉片中的次生代謝物質(zhì)成分，鑒定出氨基酸類、生物堿類、奎寧酸及其衍生物類，以及黃酮類等共98種代謝物。鄧靜等[26]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)探討婦科千金膠囊揮發(fā)油對盆腔炎大鼠血清中內(nèi)源性標(biāo)志物的影響，并初步探討其作用通路，結(jié)果表明，婦科千金膠囊揮發(fā)油對盆腔炎性疾病的干預(yù)作用可能與抗壞血酸和醛糖二酸代謝有關(guān)。李雪嘉等[27]采用核磁共振氫譜的代謝組學(xué)方法探討黃芪-山藥藥對對2型糖尿病大鼠糞便中內(nèi)源性標(biāo)志物的影響，結(jié)果表明，黃芪-山藥藥對治療2型糖尿病的作用可能與其調(diào)節(jié)能量代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝等多條代謝，改善內(nèi)源性代謝物的水平，恢復(fù)機(jī)體正常代謝活動(dòng)有關(guān)。劉窈玉等[28]探究蜘蛛香提取物對母嬰分離聯(lián)合3種應(yīng)激所致腹瀉型腸易激綜合征(IBS-D)模型大鼠的藥效作用和干預(yù)后糞便中內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的變化，研究結(jié)果不僅證明了蜘蛛香提取物對IBS-D模型大鼠具有明確的藥效作用，還從糞便代謝組學(xué)的角度探討了蜘蛛香提取物治療IBS-D模型大鼠的藥效機(jī)制。劉圣金等[29]通過青礞石干預(yù)戊四氮(PTZ)點(diǎn)燃癲癇大鼠的腦組織的代謝組學(xué)研究探討青礞石治療癲癇可能的作用機(jī)制，結(jié)果表明，青礞石對PTZ癲癇大鼠的干預(yù)作用可能與其干預(yù)D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，以及花生四烯酸代謝通路有關(guān)。何澤慧等[30]進(jìn)行了消脹貼膏敷臍治療肝硬化腹水的臨床代謝組學(xué)研究，結(jié)果表明，消脹貼膏改善肝硬化腹水的作用機(jī)制可能與調(diào)節(jié)機(jī)體氨基酸及其代謝產(chǎn)物的水平相關(guān)。張楠等[31]探討酒精性肝損傷的潛在生物標(biāo)志物及枳椇子護(hù)肝功效的作用機(jī)制，通過代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)10個(gè)與酒精性肝損傷(alcoholic liver disease,ALD)相關(guān)的生物標(biāo)志物，提示枳椇子通過調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)、氨基酸代謝、磷脂代謝、能量代謝等通路起到預(yù)防ALD的作用。劉騰等[32]基于代謝組學(xué)研究黃芪注射液對白細(xì)胞減少癥模型小鼠的干預(yù)作用，結(jié)果表明，黃芪注射液升高白細(xì)胞的作用可能與亞油酸代謝，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成及苯丙氨酸代謝等途徑有關(guān)。楊琳琳等[33]對一年生和兩年生的不同采收月份黃芩葉化學(xué)成分差異及其變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同采收期黃芩葉的差異代謝物的相對含量、動(dòng)態(tài)變化趨勢與黃芩葉生長月份、年限等因素相關(guān)。

2 多組學(xué)聯(lián)合分析

多組學(xué)的聯(lián)合分析是功能基因組學(xué)時(shí)代研究的重要策略，有利于系統(tǒng)地研究機(jī)體功能變化和致病機(jī)制、藥物作用途徑等，具有整體性和高通量的優(yōu)勢。目前廣泛應(yīng)用于基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝物的相關(guān)研究中。

在系統(tǒng)生物學(xué)中，將組學(xué)中得到顯著差異的基因、蛋白和代謝物之間使用皮爾森相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析應(yīng)用最廣泛。Lin H等[34]利用皮爾森相關(guān)系數(shù)得出相關(guān)性分析熱圖、差異代謝物、富集通路分析、差異基因與差異代謝物互作網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出了大豆在同一代謝物組或不同代謝物組之間存在著一些顯著的相關(guān)性。Rao G等[35]通過皮爾森相關(guān)系數(shù)檢測核桃仁中7 225個(gè)代謝物與代謝物的相關(guān)性，揭示了大部分碳水化合物和蛋白質(zhì)衍生的碳在核桃成熟過程中轉(zhuǎn)移到其他化合物(如脂肪酸)，這為進(jìn)一步研究核桃成熟提供了基礎(chǔ)。Kaling M等[36]整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)，證明了菌根楊樹葉片氮分配的變化和蛋白酶抑制劑、幾丁質(zhì)酶和醛肟生物合成等代謝途徑有關(guān)。Ni J等[37]采用宏基因組測序和代謝組學(xué)分析患有克羅恩病的兒科患者的糞便樣本，發(fā)現(xiàn)疾病嚴(yán)重程度與腸道失調(diào)、游離氨基酸的細(xì)菌之間的關(guān)聯(lián)，從而證明了炎性腸病期間的腸道生態(tài)失調(diào)與相關(guān)的腸道微生物群的改變有關(guān)。Peng S等[38]研究全氟辛酸的肝毒性特征，應(yīng)用基于液相色譜/質(zhì)譜的代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析的系統(tǒng)毒理學(xué)策略以研究全氟辛酸對代表性中國正常人肝細(xì)胞系L-02的影響，在代謝水平上鑒定了15種潛在的生物標(biāo)志物，大多數(shù)與基因表達(dá)水平的改變一致。Lu X等[39]通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)研究黃曲霉毒素B1誘導(dǎo)的急性肝毒性的機(jī)制和潛在的生物標(biāo)志物，結(jié)果表明，黃曲霉毒素B1誘導(dǎo)急性肝毒性產(chǎn)生氧化損傷，誘導(dǎo)的p53信號通路是主要過程，急性肝炎代謝的主要改變原因是糖原異生和脂質(zhì)代謝紊亂。

3 系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展前景展望

系統(tǒng)生物學(xué)面臨的一個(gè)問題是生物體通常以復(fù)雜和不可預(yù)測的方式對引起疾病或損傷的刺激產(chǎn)生反應(yīng)，而且環(huán)境和生活方式因素也會(huì)對疾病的發(fā)展產(chǎn)生影響，在某種意義上與中醫(yī)藥的全局整體觀不謀而合。當(dāng)然，系統(tǒng)組學(xué)可通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型和監(jiān)測盡可能多地影響全局的因素從而避免這些問題[40]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，通過盡可能多的流行病學(xué)資料和系統(tǒng)組學(xué)分析，回顧性地探討疾病的發(fā)病因素，對降低醫(yī)療成本、有效預(yù)防疾病提供了可能[41]。可以預(yù)見，系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)藥中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，將會(huì)為中醫(yī)藥的現(xiàn)代化發(fā)展提供廣闊的空間。