生物学网络构建在寒证生物信息分析中的应用探讨

徐全壹,欧阳利民,王望华,孙玉文,谭从娥,陈 康,王米渠

(1.宁夏医科大学中医学院,宁夏 银川 750004；2.成都中医药大学基础医学院,四川 成都 610072；3.陕西中医学院基础医学院,陕西 咸阳 712046)

随着现代生命科学的不断发展，寒证生物学基础的研究进展与之紧密结合，而高通量生物学技术、生物信息学、系统生物学等新兴交叉的学科将寒证的研究向着生物分子网络结构与功能的系统化研究方向发展[1]。科研学者认识到寒证是由生物分子之间的相互作用，以及与外界环境之间的物质、能量和信息的交换出现障碍或者缺陷而产生。具体而言就是基因、RNA、蛋白质、micRNA等生物分子和生物学过程介导的过多层次复杂的相互作用而发生的特定的病理过程。寒证生物分子网络的构建将成为描述它们复杂的相互作用和系统行为的关键[1-2]。

1 生物信息与寒证研究

寒证是中医证候研究中的一类复杂的难题，目前研究大量借助高通量的基因芯片以及数据处理的生物信息技术。沈自尹等[3]在肾阳虚的研究中发现自然衰老大鼠具有年龄依赖特征的199条表达基因，主要涉及神经内分泌免疫相关基因。吕诚[4]在研究类风湿关节炎的寒热证候生物学差异中发现类风湿关节炎寒证候与热证候之间有29个差异基因表达，其中7个基因在寒证高表达和22个基因在热证高表达。潘玲等[5]研究温补药物治疗肾阳虚证兄妹疗效的分子生物学特征结果显示得到84条共同表达基因，其中34条基因为已知功能基因，涉及到免疫、生长发育、基础代谢等6大类。韩冰冰等[6]在虚寒证模型大鼠的肝全基因表达谱的研究中发现，虚寒证模型相关基因99条,其中涉及8个显著性基因功能，包括免疫应答，防御应答，生物刺激应答等；而虚寒治疗后与虚寒模型组比较有212条基因差异表达，涉及31个显著性基因功能，包括免疫应答，炎症应答，防御应答,趋化因子及受体活性,氧化还原酶活性等功能。杨丽萍等[7]在虚寒证家系研究中发现家系虚寒证差异表达的基因，其中只有2条基因与非家系组相同,家系虚寒证组差异功能分布相对集中,主要和能量代谢密切相关。杨红亚等[8]对虚寒证的基因功能分析发现虚寒证的差异表达基因较集中在代谢与免疫2类基因。笔者在寒淫致病的研究[9]中发现ATP6V0D1基因和氧化磷酸化代谢通路与轻度“寒淫致病”密切相关。袁卓臖[10]在脾胃虚寒证的代谢组研究中发脾胃虚寒证血液中的标记物有现乳酸、低密度脂蛋白、丙氨酸、甘氨酸、葡萄糖、极低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、不饱和脂肪酸、磷脂酰胆碱。陈冬梅[11]研究发现虚寒证机体代谢产物中的乳酸、柠檬酸、琥珀酸、不饱和脂类、乙酰乙酸、谷氨酸、1.79 ppm处的未知化合物可作为虚寒证的生物标志物,并可作为深入研究虚寒证本质的切入点。这些研究都不约而同的面临着这样的一个难题——数据量巨大[12]。研究都处在多基因或多化合物的多数据库功能分类研究水平上进行探讨，缺乏基因或化合物内在联系的具体呈现，缺乏共调控网络的呈现。中医寒证研究恰恰需要整体网络的呈现，回归并体现出中医证候独有的特征。

2 寒证生物学网络构建

单个的不连续的生物学功能很少归属到单个细胞分子的作用。而大部分生物学特性是来自于细胞内无数组分间的相互复杂作用，比如蛋白质、DNA、RNA以及一些小分子间的相互作用[13]。因此，21世纪生物学的一个关键挑战就是了解对构建一个活细胞的结构及功能起到作用的复杂细胞间相互作用网络的结构及其动态。高通量数据收集技术的发展，即可概括为分子微探针的广泛应用，允许在任何一个给定时间对细胞的各组分的状态做同时信号探询分析。相反，新的技术平台，例如蛋白质芯片或半自动酵母双杂交筛选，能帮助确定这些分子是怎样发生相互作用的。不同类型的交互作用网络,或其他网络(包括蛋白质—蛋白质相互作用、代谢、信号和转录调控网络等),都是来自于这些上述相互作用的集合。这些网络没有一个是独立的，它们以“网络群中的一个网络”的组成形式对细胞的行为发挥作用。当代生物学的一个主要挑战就是要登上一个集成理论与实验的程序平台来构建图示，理解并建立控制细胞行为的不同网络的拓扑学及动态特性的可计量条件下的模型。随着这些复杂网络理论研究的快速发展，已经向着对不同复杂的技术及社会网络的形成与进化起到控制作用的结构原理迈进。这项研究也已经对细胞生物学领域产生了影响，它引导人们对很大程度上与其他复杂系统(如网络、芯片、社会)共享的单个细胞内的结构特性及分子相互作用的网络加深了认识。比如吕诚[4]采用ICPA运算法则构建差异基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络，发现了4个高联接区,GO功能分析寒证与Toll样受体信号通路相关，而热证与钙离子信号通路、细胞黏附分子、PPAR信号通路以及脂肪酸代谢途径相关。寒证证候研究者们，不但需要阐明不同细胞内进程中单个分子的作用，研究对形成细胞间网络所需的特定生物学详细资料及进化起源，而且还需探究寒证网络结构在实验可观察到的功能及行为特性上的影响。网络构建能够显示细胞网络的大规模的特性，完成对小的基因通路的最新的全面理解，使得寒证研究充分体现出中医整体性。

3 结语

大部分生物学特性是来自于细胞内无数组分间的相互复杂作用，想要准确描绘出这些复杂的相互作用关系，仅仅依靠以往的研究方式[14]是很难成功的。生物学网络构建是当代生物信息学技术中解决该问题的主要手段，可以较为完整、全面的揭示各组分间是如何协同作用，共同完成一种生物学行为的[13]。这为寒证的生物分子网络构建成为了可能，从而更能体现出功能模块，在复杂的分子生物层面上使微观分子与宏观模块有机地结合，这对深入认识寒证的生物学内涵具有积极的意义[1]，有利于将系统生物学和生物信息学与寒证研究相结合，为寒证研究提供了一条可行的途径。

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