系统生物学——深静脉血栓研究的新思路

李云建 宋 恩 王 兵*

为适应分子生物学的快速发展以及人类基因组计划等重大科学工程，美国科学家莱诺伊·胡德（Leroy Hood）首先提出了系统生物学（Systems Biology）这一理论，它是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分之间的相互关系，并通过计算生物学建立数据模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的一门科学[1]。它将不仅在医学方面具有重要的应用前景，更重要的是代表了生命科学理论的重大发展。

1 系统生物学的概述

1.1 系统生物学的发展态势

在过去的半个多世纪里，生物医学的研究主要是采用典型的还原论方法来探求生命系统的本质。迄今，还原论的研究已经取得了大量的成就，在细胞甚至在分子层面对生物体都有了很具体的了解。如基因组计划的成功使我们了解了包括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物和人类的所有遗传信息组成，大规模的基因和这些基因产物的功能正在得到揭示。目前蛋白质组学、基因敲除、RNA干扰等技术的广范应用，已使我们对生物系统蛋白质间的相互作用以及基因功能有了进一步的了解。但这些研究方法只是将生物系统分解，对生物体整体的行为却很难给出系统、全面的解释，其研究结果也只限于解释生物系统的微观或局部现象并不能系统的描述生物体如何在整体上实现其功能行为，忽略了系统中各个层面的交互、整合等作用，阻碍了生物医学研究的发展[2]。随着结构基因组学研究的不断完善、功能基因组学研究的逐步深入，生命科学的研究方式、研究理念也正经历着重大变革，由某个基因或蛋白的研究开始转向多分子/信号分子的网络研究；关注结构功能的生命构成研究转向关注信息流动的生命过程研究，在此背景下系统生物学也应运而生，并且逐渐成为生命科学新的前沿[3]。

当今系统生物学的研究主要集中在以基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等高通量组学技术为基础的系统网络的构建和软件平台方面。基因表达、基因转换开关、信号转导途径以及系统出现疾病的机制分析等已是当前系统生物学研究的热点。

1.2 系统生物学的研究思路及特点

系统生物学识别目标生物系统中的各种因素，通过高通量组学实验技术提供建立模型所需的数据，构建出一个系统模型，并于模型中研究细胞、组织、器官和生物体整体水平，研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为[4]。系统生物学最大的特点即“整合”，就是把系统内不同性质的构成要素（DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究；并对于多细胞生物，系统生物学要实现从基因到细胞、到器官、到组织甚至是个体的各个层次的整合以及研究思路和方法的整合。

1.3 系统生物学与疾病诊治

当今多基因疾病已成为医学研究的热点和难点。人体生理或病理过程都涉及多个基因产物及其相互作用，对于复杂疾病所涉及的多个基因及其产物在多环节的复杂调控及分子间的作用，已对疾病的发生发展机制和疾病的诊断与防治的研究带来巨大障碍，然而系统生物学可通过建立一个全面的细胞或人体的正常和病理模型，能够再现和阐明生命活动规律，预测从细胞到机体中各种成分相互作用与各种疾病之间的关系，从而能够精确地进行疾病的诊断，同时采用系统最优化原则对疾病达到最优化的防治[5]。

此外，由于人类基因在不同个体存在形态大小和微环境方面的差异，因此在药物作用机制、药物代谢转化，药物毒副作用作用等方面也存在个体差异，于是采取针对不同患者的个体化医疗就成为医学发展的迫切目标。故系统生物学能够综合分析数据库中的个人信息，针对每个患者精确的系统动力学特征来改变药物的设计和治疗程序，提高疾病的治疗率，这不仅降低药物的使用费用，而且减少了不必要的药物不良反应。如常见的心脑血管疾病[6]、肿瘤[7]、精神病[8]等疾病，已在系统生物学理论的指导下，取得了一定的研究进展。系统生物学的发展将引领医学进入新的疾病诊治模式，对药物研发产生巨大变革，推动医学进入预测医学、预防医学和个体化医学的新时代[9,10]。

2 深静脉血栓与系统生物学的内在联系

深静脉血栓（deep venous thrombosis，DVT）的发生率、病死率高，且受多因素、多系统复杂机制调控。创伤或骨科大手术后发生率高达40%～85%，且发病率有增加的趋势[11]。据WHO统计，每年全球因DVT死亡的人数超过1500万，初步统计我国病死人数约有100万[12]，死亡原因主要为肺血栓栓塞症（pulmonary embolism，PE），仅有1/3的PE患者在早期表现临床症状，故极易漏诊，尸检资料证实，11～15%的患者生前确诊PE[13]，大量的患者未能得到及时、有效的诊断和治疗。目前诊断主要通过临床症状、体检、影像学、实验室检查相结合。然而，最致命的缺陷是，血栓已经形成方能明确诊断，且对其发生、发展机制缺乏系统、重点研究，故无法早期、定量、个体化预测诊断，难以有效防治。因此，近年来研究热点已逐渐转向针对表达变化、转录调控、相关蛋白产物、相互作用网络来探索其复杂机制。Laurent O. Mosnier针对蛋白C、S、APC在DVT形成中的动态变化，研究其蛋白产物及相互作用，揭示其抗凝机制。Björn Dahlbäck提出“多抗凝基因联合控制血栓形成机制”理论，相关研究证实部分蛋白在DVT形成中参与重要调控，如u-PA可激活纤溶酶原使其变成纤溶酶，其激活纤溶系统的前提是在t-PA已将纤维蛋白部分溶解时才可实现；而连接素Ⅱ（annexin Ⅱ）可促进t-PA激活纤溶酶原，增加t-PA的合成与分泌，促进纤溶[12]。DVT形成机制的研究现状，仅初步分析了血栓形成中的部分已知基因、蛋白的表达变化、局部的信号通路及网络关系。倘若不能系统的、全面的、整体的、抓住要点的研究多水平——转录、转录调控、蛋白动态变化及相关关系，则在预测诊断和药物开发等方面，就无法取得实质性突破。

故我们已在前期自制的大鼠深静脉血栓模型研究中，通过所采用的基因芯片、RT-PCR、ELISA等检测技术，针对DVT形成关键病理状态，已在凝血、纤溶系统等重要方面，从大鼠血管组织、血液中新发现、验证了一批DVT形成高度相关的基因、蛋白。如与凝血相关的有Hmox1等13个，抗凝相关的有Tfpi2等2个，纤溶相关的有Serpinb1等6个，抗纤相关的有Plaur等3个，炎症相关的有Cxcl2等12个，其中部分基因、蛋白已在临床血细胞、血浆中进行了转录层面和蛋白质层面的验证，其结果与大鼠模型中研究结果一致。

基于前期研究以及系统生物学理论的兴起，我们将开创性的应用系统生物学思维和方法，进一步扩大临床样本，采用新一代高通量分析技术（Solexa）及双向凝胶电泳技术（DIGE），进行转录组、miRNA和蛋白组等研究并验证大鼠模型中的研究结果，这将有望获取建立模型所需的，且具有重要价值的海量核心生物信息数据，并通过分析基因多态位点（SNP），探讨其相互作用、网络调控系统，确定DVT形成的关键Pathway和重要节点，开拓人体内凝血、抗凝、纤溶、抗纤系统调控网络，从而构建出更全面的、更系统的DVT形成网络的系统生物学模型。这将有利于DVT的预测诊断及药物的研发，为系统、全面的研究DVT开创新视界。

3 总结与展望

系统生物学是生命科学中的一个新兴领域，正处于启动阶段，已在动脉粥样硬化、肿瘤等研究领域取得了一定成果，但它的研究仍需要发展一系列新的分析方法、测量技术、实验方法和软件工具以及概念的突破。目前高通量实验技术在DVT研究领域中应用尚不足，积累的数据量还相对较少，所以在应用系统生物学方法来构建其相关网络模型方面还处于初步阶段。相信随着高通量实验技术在DVT研究领域的进一步应用以及与其他学科的紧密结合，在系统生物学理念的指导下，我们将构建出细胞内的整个生物分子网络模型，从而有助于更加详细的了解DVT的发病机制，为DVT的诊断防治和新药的研发提供帮助，成为推动DVT相关研究的新动力。因此，系统生物学在DVT研究中将有着广阔的应用前景。

[1]Hood L,Heath JR,Phelps ME,et al.Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine[J].Science,2004,306(5696):640-643.

[2]徐强,王长亮,李胜.系统生物学——生命科学的新领域[J].中国医药导报,2008,5(26):20-22.

[3]Pepperkok R,Wiemann S.Integrating systems biology with clinical research[J].Genome Biol,2008,9(7):314.

[4]Pujol A,Mosca1 R,Farre's J,et al.Unveiling the role of network and systems biology in drug discovery[J].Trends Pharmacol Sci,2010,31(3):115-123.

[5]Glocker MO,Guthke R,Kekow J,et al.Rheumatoid arthritis,a complex multifactorial disease: on the way toward individualized medicine[J].Med Res Rev,2006,26(1): 63-87.

[6]Perco P,Wilflingseder J,Bernthaler A,et al.Biomarker candidates for cardiovascular disease and bone metabolism disorders in chronic kidney disease:a systems biology perspective[J].Cell.Mol.Med,2008,12(4):1177-1187.

[7]Knox SS.From ‘omics’ to complex disease:a systems biology approach to gene-environment interactions in cancer[J].Cancer Cell Int,2010,10:11.

[8]Bolognesi ML,Cavalli A,Melchiorre C..Memoquin: a multitargetdirected ligand as an innovative therapeutic opportunity for Alzheimer’s disease[J].Neurotherapeutics,2009,6(1):152-162.

[9]Weston AD,Hood L.Systems biology,proteomics,and the future of health care: toward predictive,preventative and personalized medicine[J].Proteome Res,2004,3(2):179-196.

[10]Schadt EE,Zhang B,Zhu J.Advances in systems biology are enhancing our understanding of disease and moving us closer to novel disease treatments[J].Genetica,2009,136(2):259-269.

[11]邱贵兴,戴 戎,杨庆铭等.预防骨科大手术后深静脉血栓形成的专家建议——深静脉血栓形成预防座谈会纪要[J].中华骨科杂志,2005,25(10):636-640.

[12]付妍,王大为.血栓栓塞性疾病的急诊治疗和预防[J].中国临床医生,2006,34(8):51-53.

[13]Heit JA.The Epidemiology of thromboembolism in the community[J].Arteriosc Throm Vasc Biol,2008,28(3):370-372.