系統生物學方法的中醫藥應用研究進展*

王義翠，劉延鑫，楊 念，徐華明

(1.河南中醫藥大學藥學院，河南 鄭州 450046；2.河南中醫藥大學醫學院，河南 鄭州 450046；3.河南中醫藥大學中醫藥科學院，河南 鄭州 450046)

中醫藥已經發展了數千年，源于臨床經驗和整體觀念[1]。系統生物學包括基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學及元基因組學，每種組學研究均有各自的特點和側重。目前又出現了多組學聯合研究的方法，已經成為系統生物學中常用的研究手段，不僅可了解生命體的基因組成特點，還可對其下游關聯蛋白、代謝物等功能產物的表達進行針對性的分析[2]。系統生物學方法可以為中醫藥現代化提供更加全面和廣闊的資源[3]。中醫藥研究需重視整體性。比如：中藥復方包含很多中藥分子，許多不同的分子參與了整體效應，其復雜性往往會阻礙生物效應如分子機制和靶點的鑒定。系統生物學方法超越了靶向特異性和單分子藥理學，涵蓋了一個生物系統在分子、細胞和組織等多級多分子靶點上，因此，利用生物信息學分析，將改變不同實驗水平的研究方式，解決此類問題。研究者可以借助系統生物學研究混合物共同作用的分子效應，并借助生物信息學，從整體角度看待這些效應對生物系統的影響。同時，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]。中藥包含的復雜信息影響了西方生物醫學對中醫藥的接受，也阻礙了它與西醫實踐的融合，而系統生物學方法為解決中藥復方和單味中藥生物學效應和標準化提供了可能。本文就系統生物學在中醫藥研究的應用做一綜述，并對發展前景提出展望，為利用系統生物學方法研究中醫藥提供參考依據。

1 系統生物學在中醫藥研究的應用

系統生物學可以代表一種單點(或多點)與生物的相互作用模式，這與中醫藥學的多靶點、整體觀的思維有相似性，也與中醫理論指導下用藥規律具有相通性。中醫藥對疾病的干預屬于一種動態的藥物系統與人體系統的相互作用，與西醫基于單一實體或單一靶點的作用不同[5]。系統生物學對多種疾病的發病機制和中醫藥干預研究屬于另外一個應用領域的研究，所涉及的問題均可以通過系統生物學如基因組、轉錄組、蛋白質和代謝組等來解決[6]。

轉錄組學研究的是生物體體內可表達的基因，與基本上是靜態的基因組不同。轉錄組學是高度動態的，實時反映細胞類型和細胞狀態，能實時反映中醫藥干預疾病的相應信號通路的狀態。蛋白質組學和代謝組學都是轉錄組學中基因表達的改變而引起的，是整個過程在蛋白質和代謝物層面的最終結果。中醫藥干預疾病目前采用轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學技術較多，為中醫藥發展開辟出一條新的途徑。

1.1 轉錄組學

轉錄組學是在整體水平上研究細胞中基因轉錄的情況及轉錄調控規律的學科，從核糖核酸(RNA)水平研究一個活細胞所能轉錄出來的所有RNA的總和，是研究細胞表型和功能的重要方法。轉錄組學中包含了對時間和空間的限定，因為不同組織細胞攜帶的基因物質是相同的(人類基因組大概包含30億個堿基對)，但對相同的一套基因轉錄成mRNA的只有其中5億個基因，而最終被翻譯生成蛋白質的更少。即使是同一細胞在不同的生長環境和不同的生長時期，其基因的表達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錄組學特征，結果顯示，患者與對照腦組織差異表達基因(differentially expressed genes，DEGs)譜存在明顯差異，共篩選出1 285個DEGs，其中782個(占60.9%)下調，503個(占39.1%)上調。上調表達的DEGs主要富集于神經元信號轉導相關的通路，下調表達的DEGs主要富集于細胞骨架、細胞周期及趨化作用相關的通路。潘媛等[8]采用高通量測序技術對不同發育時期的川佛手果實進行轉錄組測序，篩選獲得3 379個差異基因，主要集中在信號傳導、生物調控、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]采用轉錄組測序技術對非酒精性脂肪性肝病進行研究，篩選出多個DEGs，主要涉及脂肪肝發生發展過程中脂質氧化、氧化應激途徑與脂肪生成。

潘媛等[8]對不同發育時期的川佛手果實進行轉錄組測序，獲得3 379個DEGs，為進一步挖掘川佛手有效成分生物合成過程中的關鍵基因，解析調控其有效成分生物合成途徑。徐世強等[10]利用轉錄組測序分析黃金艾蒿主要代謝成分合成途徑的關鍵基因，獲得45 494個DEGs，研究結果為下一步有針對性地研究黃金艾蒿的代謝物質活性、開展黃酮類化合物合成關鍵基因的功能的研究奠定了基礎。胡淵龍等[11]整合轉錄組學與網絡藥理學探討黃芪-白術藥對治療慢性阻塞性肺疾病(COPD)的機制,功能富集分析顯示核心靶標功能表現在炎癥反應、氧化應激反應、血管新生3個方面，表明黃芪-白術藥對改善炎癥反應、氧化應激反應、血管新生的作用是治療COPD的潛在關鍵機制。惠振等[12]采用RNA-seq技術分析復方通絡飲治療腦梗死的轉錄組學特征，結果表明，復方通絡飲在腦梗死后可能通過干預細胞跨內皮遷移與黏著斑功能以減少炎癥反應、減輕腦水腫從而發揮保護作用。朱靜等[13]對廣藿香干預的營養性肥胖大鼠的肝臟進行轉錄組學測序，結果表明，芳香化濕藥物廣藿香對營養性肥胖大鼠的降脂作用可能是通過調控胰島素信號通路中相關基因和蛋白表達來實現的。汪頎浩等[14]采用轉錄組學技術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制，表明其可能與調控磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide-3 kinase，PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B)、Janus激酶(janus kinase，JAK)信號轉導及轉錄激活因子(siganal transducer and activator of transcription，STAT)信號通路有關。

1.2 蛋白質組學

由于翻譯調控和翻譯后調控的存在，RNA 的表達量與實際對應蛋白質的含量還會存在變化，因此，想要精細了解生物體內蛋白質組的定量信息，直接觀察蛋白質組學的變化也是一種直接解決問題的方案。

梁瑞強等[15]通過蛋白質組學技術手段找到適用于藥材全蝎含量測定的目標蛋白質及其特征肽段，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荷下體外培養ICR小鼠早期胚胎影響的蛋白質組學機制，結果發現，高濃度葡萄糖不利于胚胎發育與健康，左歸丸含藥血清可通過調節培養液中相關蛋白通路保護胚胎發育、改善或預防糖耐量低減和糖尿病等相關疾病。許宏欽等[17]采用蛋白質組學方法研究了消癌解毒方對肝癌大鼠脂質代謝的影響，發現差異蛋白主要富集于代謝類別，主要與脂質代謝相關，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]采用蛋白質組學分析清熱解毒法作用于肝癌大鼠的血清蛋白差異表達，結果表明，差異表達蛋白主要參與了代謝、炎癥反應、免疫調控、自噬、熱休克、氧化應激、細胞周期與凋亡、細胞生長與分化、基質降解、血管生成、腫瘤轉移、癌相關、肝再生修復等，研究證實清熱解毒法(白花蛇舌草、半枝蓮)作用于肝癌大鼠有多靶點、多中心的調控作用。孫夢盛等[19]通過蛋白質組學技術發現寬筋藤可能通過上調網格蛋白、囊泡生成轉運及神經遞質釋放相關蛋白，促進了神經遞質的合成與釋放，改善了腦內膽堿功能，從而發揮干預阿爾茨海默病的病理進程的作用。苗玉發等[20]研究了酮康唑和四氯化碳致大鼠肝細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胞損傷的潛在生物標志物。饒希午等[21]觀察了臨床驗方消癌解毒方的益氣養陰組分藥物太子參和麥冬對肝癌大鼠血清蛋白差異表達的影響，證實益氣養陰法作用于肝癌大鼠有多靶點、多中心的調控作用。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和海馬的蛋白質組學變化的影響，結果發現了不同腦部位顯著變化的差異蛋白質，還發現鉤藤發揮作用可能與其所含的鉤藤堿對巨噬細胞移動抑制因子和親環蛋白A的表達的抑制作用有關，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。另有研究者[23]采用蛋白質組學方法研究了紫龍金對MCF-7細胞中蛋白質表達的影響，鑒定出了表達顯著差異的蛋白質，涉及蛋白質翻譯、細胞信號轉導、細胞骨架形成和轉運等生物活動。

1.3 代謝組學

代謝組學是對生物體內所有小分子代謝物進行定量分析，并尋找與機體生命活動、病理變化相對應的代謝物質的研究方法。代謝物的生成直接反映了細胞的生存環境，與機體內環境、細胞狀態、藥物和外界因素的影響密切相關。代謝途徑相互混合、相互作用，在任何一個水平(轉錄、蛋白)的代謝通路中，干擾任何一個代謝通路都會擾動下游結果，從而影響最終的系統生物學表型。

有學者[24]研究了腎陽虛證的代謝特征和中藥骨碎補的干預效果，結果表明，腎陽虛證恢復效果具有時間依賴性，其間體內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。另有學者[25]采用血漿代謝組學與網絡藥理學相結合的方法探討莪術在血瘀治療中的作用機制，采用代謝組學篩選出26種潛在的急性血瘀代謝標志物，代謝途徑分析顯示莪術可改善血瘀證的作用機制主要與脂代謝和氨基酸代謝有關。徐世強等[11]通過非靶向代謝組學鑒定黃金艾蒿葉片中的次生代謝物質成分，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-質譜聯用技術探討婦科千金膠囊揮發油對盆腔炎大鼠血清中內源性標志物的影響，并初步探討其作用通路，結果表明，婦科千金膠囊揮發油對盆腔炎性疾病的干預作用可能與抗壞血酸和醛糖二酸代謝有關。李雪嘉等[27]采用核磁共振氫譜的代謝組學方法探討黃芪-山藥藥對對2型糖尿病大鼠糞便中內源性標志物的影響，結果表明，黃芪-山藥藥對治療2型糖尿病的作用可能與其調節能量代謝、脂質代謝和氨基酸代謝等多條代謝，改善內源性代謝物的水平，恢復機體正常代謝活動有關。劉窈玉等[28]探究蜘蛛香提取物對母嬰分離聯合3種應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后糞便中內源性代謝產物的變化，研究結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，還從糞便代謝組學的角度探討了蜘蛛香提取物治療IBS-D模型大鼠的藥效機制。劉圣金等[29]通過青礞石干預戊四氮(PTZ)點燃癲癇大鼠的腦組織的代謝組學研究探討青礞石治療癲癇可能的作用機制，結果表明，青礞石對PTZ癲癇大鼠的干預作用可能與其干預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。何澤慧等[30]進行了消脹貼膏敷臍治療肝硬化腹水的臨床代謝組學研究，結果表明，消脹貼膏改善肝硬化腹水的作用機制可能與調節機體氨基酸及其代謝產物的水平相關。張楠等[31]探討酒精性肝損傷的潛在生物標志物及枳椇子護肝功效的作用機制，通過代謝組學分析，發現10個與酒精性肝損傷(alcoholic liver disease,ALD)相關的生物標志物，提示枳椇子通過調節三羧酸循環、氨基酸代謝、磷脂代謝、能量代謝等通路起到預防ALD的作用。劉騰等[32]基于代謝組學研究黃芪注射液對白細胞減少癥模型小鼠的干預作用，結果表明，黃芪注射液升高白細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。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成分差異及其變化規律進行研究，結果表明，不同采收期黃芩葉的差異代謝物的相對含量、動態變化趨勢與黃芩葉生長月份、年限等因素相關。

2 多組學聯合分析

多組學的聯合分析是功能基因組學時代研究的重要策略，有利于系統地研究機體功能變化和致病機制、藥物作用途徑等，具有整體性和高通量的優勢。目前廣泛應用于基因組、轉錄組、蛋白組和代謝物的相關研究中。

在系統生物學中，將組學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系數進行相關性分析應用最廣泛。Lin H等[34]利用皮爾森相關系數得出相關性分析熱圖、差異代謝物、富集通路分析、差異基因與差異代謝物互作網絡，構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性。Rao G等[35]通過皮爾森相關系數檢測核桃仁中7 225個代謝物與代謝物的相關性，揭示了大部分碳水化合物和蛋白質衍生的碳在核桃成熟過程中轉移到其他化合物(如脂肪酸)，這為進一步研究核桃成熟提供了基礎。Kaling M等[36]整合轉錄組學和代謝組學，證明了菌根楊樹葉片氮分配的變化和蛋白酶抑制劑、幾丁質酶和醛肟生物合成等代謝途徑有關。Ni J等[37]采用宏基因組測序和代謝組學分析患有克羅恩病的兒科患者的糞便樣本，發現疾病嚴重程度與腸道失調、游離氨基酸的細菌之間的關聯，從而證明了炎性腸病期間的腸道生態失調與相關的腸道微生物群的改變有關。Peng S等[38]研究全氟辛酸的肝毒性特征，應用基于液相色譜/質譜的代謝組學和轉錄組學分析的系統毒理學策略以研究全氟辛酸對代表性中國正常人肝細胞系L-02的影響，在代謝水平上鑒定了15種潛在的生物標志物，大多數與基因表達水平的改變一致。Lu X等[39]通過轉錄組學和代謝組學研究黃曲霉毒素B1誘導的急性肝毒性的機制和潛在的生物標志物，結果表明，黃曲霉毒素B1誘導急性肝毒性產生氧化損傷，誘導的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代謝紊亂。

3 系統生物學發展前景展望

系統生物學面臨的一個問題是生物體通常以復雜和不可預測的方式對引起疾病或損傷的刺激產生反應，而且環境和生活方式因素也會對疾病的發展產生影響，在某種意義上與中醫藥的全局整體觀不謀而合。當然，系統組學可通過數據統計模型和監測盡可能多地影響全局的因素從而避免這些問題[40]。隨著大數據時代的到來，通過盡可能多的流行病學資料和系統組學分析，回顧性地探討疾病的發病因素，對降低醫療成本、有效預防疾病提供了可能[41]。可以預見，系統生物學在中醫藥中的應用會越來越廣泛，將會為中醫藥的現代化發展提供廣闊的空間。