基因芯片技术在中药研究中的应用——构建中药基因组学的回顾与设想
荆志伟 王忠 中国中医科学院中医临床基础医学研究所 王永炎 中国中医科学院 高思华 国家中医药管理局科教司
基因芯片以高通量、多因素、微型化和快速灵敏的特点而见长，能够针对中药的多成分、多途径、多系统、多靶点的作用特点而进行系统深入的研究。基因芯片技术已应用于基因表达谱分析、新基因发现、基因突变、多态性分析及监测基因组整体转录表达情况[在探索中药作用靶点、药物筛选、中药成分鉴定、道地药材鉴别等方面得以应用。现对近3年基因芯片技术在中药研究方面的应用及中药基因组学的模式作一探讨。
一、探索中药作用靶点与作用机制
应用传统的基因寻找策略如聚合酶链反应(DD-PCR)等虽然为发现新的功能基因提供了一些线索，但仍有相当的局限性。而DNA芯片可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参量同时进行研究，以发掘药物靶点并同时获取大量其他相关信息。因此在这种情况下，任何一元化的分析方法均不及DNA芯片的分析手段更具有优势。基因芯片技术有助于识别药物相应的靶序列，分析整个基因组药物作用，监视药物治疗反应中的基因表达改变，以探索中药作用机制提供有效的依据。如陈明伟等利用基因芯片技术检测中药单体人参皂苷20(R)Rg3对肿瘤血管生长调控因子(VEGF)蛋白表达的抑制作用。张占军等研究了局灶性脑缺血组、栀子苷治疗组的基因表达谱芯片，从分子水平阐释了清开灵注射液成分栀子苷的药理作用机制。这些研究从基因芯片表达的角度探索中药的分子层面作用机制，为进一步阐明复方和复杂网络奠定了基础。
, 百拇医药
二、确定中药有效部位
由于中药品种繁多，成分复杂，选择疗效确切、作用机制明确的药物难度较大。基因芯片技术的出现和发展有可能简化研究的过程和大大降低研究的难度。可以选择特定的疾病模型。提取其病理情况下的RNA，反转录成cDNA后，建立该疾病的基因芯片，并以此检测药物作用后基因的表达差异，从而对单味药的各种化学成分或不同的复方进行筛选和分析，找出确定的有效成分或合适的组方供进一步进行新药研究。有研究利用寡核苷酸芯片分析抗肿瘤草药黄连根及其8个组成分子的12600个基因，经过生物信息学处理，最终确定黄连素是黄连抗增殖的效应部位，并佐证了DNA芯片用于单味中药的效应部位分析。应用表达基因芯片就可以迅速找到有效成分，分析清楚有效成分化学结构，再利用已成熟的化学合成法即可得到低毒、有效的化学成分，这条途径目前已成为新药开发的一个优选途径。
三、中药材鉴定
, http://www.100md.com
基因芯片通过获取不同中药样本的特异性基因序列，用于中药品种的快速、准确、自动化鉴别，如果在单片芯片上固定了足够多的来自不同中药样本的特有基因序列，则此种芯片就可以用于多种中药样本的鉴别，使分析时间大大减少，极大地提高了鉴定效率。如Zhang
YB等用基因芯片技术对中药复方中单味药材石斛的不同种属进行了鉴别研究，将16个不同种属石斛的ITS1-5.8S-ITS2序列固定于玻片上制作了基因芯片，并用荧光标记的ITS2序列作为探针，可检测出五种已被载入中国药典的石斛。TSOI
Pui-yan用PCR扩增法和DNA直接测序法确定多种贝母根茎的基因组核苷酸多态性，用DNA芯片进行基因检测。在芯片特定位置检测到不同种贝母的荧光信号，为植物种属的验证与质量控制提供一种快速、高通量的检测工具。虽然基因序列分析已成功地用于贝母、黄芪、人参、川芎、龟甲、鳖甲等鉴别，但目前对中药的特征DNA序列知之甚少，远不能满足基因序列分析鉴定中药的要求。要实现基因芯片技术鉴定中药，必须全面研究中药的基因组特征，实现药材真伪鉴别系统基因库标准基因图谱的建立。
, 百拇医药
四、道地药材鉴别
道地药材除了与其特定的生长环境和特殊的采收加工有关外，最重要的还与其产区内这一物种的地方种群的遗传性状有关。而这种遗传特性的差异，造成道地药材与非道地药材品质的差异，但道地药材与非道地药材为同种异地生物，两者形态、组织构造等特征的差别往往不明显，给道地药材的鉴别带来很大困难。而利用基因芯片高效、高通量分析生物信息的优势可快速进行鉴别。研究道地药材的基因组特征，最终实现道地药材真伪鉴别系统及优良种系基因库标准基因图谱的建立，特别是对有效成分的研究，可为新药的研究提供先导化合物；对功能基因组顺序结构和调节机制的阐明，能够提高有效物质的产量和减除有害成分；还可用于转基因中药材的构建和解决濒危中药材的可持续应用。章群运用PCR产物直接测序法测定杜仲原植物matK基因序列，通过Clustal软件将其与GenBank中同源序列进行排序比较，发现32个特异性位点，结论认为matK基因序列的测序分析可成为杜仲正品鉴定的有效手段。
, 百拇医药
五、中药新药筛选
在药物研发项目中，启动筛选并发现先导化合物之后的首要任务是从临床化学家合成的众多化合物中优选出临床候选分子。尽管基因组学或蛋白组学水平的表达谱永远不可能完全取代动物或者细胞模型等传统试验，但其卓越的效力差异评估和全面的技术模式有望在将来提高所选择化合物最终成为新药的可能性，比传统的动物实验更快地实现这个目标，这是药物组学的新药筛选趋势。目前中药新药的筛选方法汲取了现代药物基因组学的思路方法，但未真正体现中药对病因、症状、并发症多靶点作用的特点，这同样也成为制约中药现代化的另一个瓶颈。有学者提出了现代中药新药筛选系统，该系统建立有对照的有效部位差异基因表达谱数据库，可在基因表达水平上更快速、更准确、更为可行地进行中药单、复方、中药之间的配伍、中药各组分之间的配伍筛选，大大缩短新药研究的周期。在进行高通量筛选中，其假阳性和化合物样品问题，将是下一步解决的问题。
六、展望
, 百拇医药
基于迅猛发展中的基因芯片技术平台形成的现代中药研究，呈现出比较成熟的研究轮廓，从基因组测序、ESTs测序、药用活性成分生物相关基因研究，到复方组分的系统生物学研究，都融合了功能基因组、蛋白组、化学生物学研究的新方法、新技术。中药化学组学建立中药指纹图谱分析中药或复方的物质组成和有效成分，中药基因组学则致力于研究复方制剂的特定基因作用模式。通过生物芯片对药物成分谱(如君药、臣药)与基因表达谱进行综合研究，在克服简单观测有限个数的差异表达基因的问题后，以系统化的中药基因组学为研究平台，构建中药基因组学，将从根本上改变中药基础研究的现状，将有助于了解特定中药成分的确切治疗靶位和一些天然药物的开发，更有助于中医药研究的整体发展。
第一作者简介
荆志伟， 1977年出生，中国中医科学院研究生院2004级博士生，导师为王永炎、高思华，研究方向为中药复方的分子机制研究。, 百拇医药
基因芯片以高通量、多因素、微型化和快速灵敏的特点而见长，能够针对中药的多成分、多途径、多系统、多靶点的作用特点而进行系统深入的研究。基因芯片技术已应用于基因表达谱分析、新基因发现、基因突变、多态性分析及监测基因组整体转录表达情况[在探索中药作用靶点、药物筛选、中药成分鉴定、道地药材鉴别等方面得以应用。现对近3年基因芯片技术在中药研究方面的应用及中药基因组学的模式作一探讨。
一、探索中药作用靶点与作用机制
应用传统的基因寻找策略如聚合酶链反应(DD-PCR)等虽然为发现新的功能基因提供了一些线索，但仍有相当的局限性。而DNA芯片可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参量同时进行研究，以发掘药物靶点并同时获取大量其他相关信息。因此在这种情况下，任何一元化的分析方法均不及DNA芯片的分析手段更具有优势。基因芯片技术有助于识别药物相应的靶序列，分析整个基因组药物作用，监视药物治疗反应中的基因表达改变，以探索中药作用机制提供有效的依据。如陈明伟等利用基因芯片技术检测中药单体人参皂苷20(R)Rg3对肿瘤血管生长调控因子(VEGF)蛋白表达的抑制作用。张占军等研究了局灶性脑缺血组、栀子苷治疗组的基因表达谱芯片，从分子水平阐释了清开灵注射液成分栀子苷的药理作用机制。这些研究从基因芯片表达的角度探索中药的分子层面作用机制，为进一步阐明复方和复杂网络奠定了基础。
, 百拇医药
二、确定中药有效部位
由于中药品种繁多，成分复杂，选择疗效确切、作用机制明确的药物难度较大。基因芯片技术的出现和发展有可能简化研究的过程和大大降低研究的难度。可以选择特定的疾病模型。提取其病理情况下的RNA，反转录成cDNA后，建立该疾病的基因芯片，并以此检测药物作用后基因的表达差异，从而对单味药的各种化学成分或不同的复方进行筛选和分析，找出确定的有效成分或合适的组方供进一步进行新药研究。有研究利用寡核苷酸芯片分析抗肿瘤草药黄连根及其8个组成分子的12600个基因，经过生物信息学处理，最终确定黄连素是黄连抗增殖的效应部位，并佐证了DNA芯片用于单味中药的效应部位分析。应用表达基因芯片就可以迅速找到有效成分，分析清楚有效成分化学结构，再利用已成熟的化学合成法即可得到低毒、有效的化学成分，这条途径目前已成为新药开发的一个优选途径。
三、中药材鉴定
, http://www.100md.com
基因芯片通过获取不同中药样本的特异性基因序列，用于中药品种的快速、准确、自动化鉴别，如果在单片芯片上固定了足够多的来自不同中药样本的特有基因序列，则此种芯片就可以用于多种中药样本的鉴别，使分析时间大大减少，极大地提高了鉴定效率。如Zhang
YB等用基因芯片技术对中药复方中单味药材石斛的不同种属进行了鉴别研究，将16个不同种属石斛的ITS1-5.8S-ITS2序列固定于玻片上制作了基因芯片，并用荧光标记的ITS2序列作为探针，可检测出五种已被载入中国药典的石斛。TSOI
Pui-yan用PCR扩增法和DNA直接测序法确定多种贝母根茎的基因组核苷酸多态性，用DNA芯片进行基因检测。在芯片特定位置检测到不同种贝母的荧光信号，为植物种属的验证与质量控制提供一种快速、高通量的检测工具。虽然基因序列分析已成功地用于贝母、黄芪、人参、川芎、龟甲、鳖甲等鉴别，但目前对中药的特征DNA序列知之甚少，远不能满足基因序列分析鉴定中药的要求。要实现基因芯片技术鉴定中药，必须全面研究中药的基因组特征，实现药材真伪鉴别系统基因库标准基因图谱的建立。
, 百拇医药
四、道地药材鉴别
道地药材除了与其特定的生长环境和特殊的采收加工有关外，最重要的还与其产区内这一物种的地方种群的遗传性状有关。而这种遗传特性的差异，造成道地药材与非道地药材品质的差异，但道地药材与非道地药材为同种异地生物，两者形态、组织构造等特征的差别往往不明显，给道地药材的鉴别带来很大困难。而利用基因芯片高效、高通量分析生物信息的优势可快速进行鉴别。研究道地药材的基因组特征，最终实现道地药材真伪鉴别系统及优良种系基因库标准基因图谱的建立，特别是对有效成分的研究，可为新药的研究提供先导化合物；对功能基因组顺序结构和调节机制的阐明，能够提高有效物质的产量和减除有害成分；还可用于转基因中药材的构建和解决濒危中药材的可持续应用。章群运用PCR产物直接测序法测定杜仲原植物matK基因序列，通过Clustal软件将其与GenBank中同源序列进行排序比较，发现32个特异性位点，结论认为matK基因序列的测序分析可成为杜仲正品鉴定的有效手段。
, 百拇医药
五、中药新药筛选
在药物研发项目中，启动筛选并发现先导化合物之后的首要任务是从临床化学家合成的众多化合物中优选出临床候选分子。尽管基因组学或蛋白组学水平的表达谱永远不可能完全取代动物或者细胞模型等传统试验，但其卓越的效力差异评估和全面的技术模式有望在将来提高所选择化合物最终成为新药的可能性，比传统的动物实验更快地实现这个目标，这是药物组学的新药筛选趋势。目前中药新药的筛选方法汲取了现代药物基因组学的思路方法，但未真正体现中药对病因、症状、并发症多靶点作用的特点，这同样也成为制约中药现代化的另一个瓶颈。有学者提出了现代中药新药筛选系统，该系统建立有对照的有效部位差异基因表达谱数据库，可在基因表达水平上更快速、更准确、更为可行地进行中药单、复方、中药之间的配伍、中药各组分之间的配伍筛选，大大缩短新药研究的周期。在进行高通量筛选中，其假阳性和化合物样品问题，将是下一步解决的问题。
六、展望
, 百拇医药
基于迅猛发展中的基因芯片技术平台形成的现代中药研究，呈现出比较成熟的研究轮廓，从基因组测序、ESTs测序、药用活性成分生物相关基因研究，到复方组分的系统生物学研究，都融合了功能基因组、蛋白组、化学生物学研究的新方法、新技术。中药化学组学建立中药指纹图谱分析中药或复方的物质组成和有效成分，中药基因组学则致力于研究复方制剂的特定基因作用模式。通过生物芯片对药物成分谱(如君药、臣药)与基因表达谱进行综合研究，在克服简单观测有限个数的差异表达基因的问题后，以系统化的中药基因组学为研究平台，构建中药基因组学，将从根本上改变中药基础研究的现状，将有助于了解特定中药成分的确切治疗靶位和一些天然药物的开发，更有助于中医药研究的整体发展。
第一作者简介
荆志伟， 1977年出生，中国中医科学院研究生院2004级博士生，导师为王永炎、高思华，研究方向为中药复方的分子机制研究。, 百拇医药