系统生物学方法的中医药应用研究进展*

王义翠，刘延鑫，杨 念，徐华明

(1.河南中医药大学药学院，河南 郑州 450046；2.河南中医药大学医学院，河南 郑州 450046；3.河南中医药大学中医药科学院，河南 郑州 450046)

中医药已经发展了数千年，源于临床经验和整体观念[1]。系统生物学包括基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学及元基因组学，每种组学研究均有各自的特点和侧重。目前又出现了多组学联合研究的方法，已经成为系统生物学中常用的研究手段，不仅可了解生命体的基因组成特点，还可对其下游关联蛋白、代谢物等功能产物的表达进行针对性的分析[2]。系统生物学方法可以为中医药现代化提供更加全面和广阔的资源[3]。中医药研究需重视整体性。比如：中药复方包含很多中药分子，许多不同的分子参与了整体效应，其复杂性往往会阻碍生物效应如分子机制和靶点的鉴定。系统生物学方法超越了靶向特异性和单分子药理学，涵盖了一个生物系统在分子、细胞和组织等多级多分子靶点上，因此，利用生物信息学分析，将改变不同实验水平的研究方式，解决此类问题。研究者可以借助系统生物学研究混合物共同作用的分子效应，并借助生物信息学，从整体角度看待这些效应对生物系统的影响。同时，高通量分析和生物信息分析可用于草药和植物提取物的指纹鉴定[4]。中药包含的复杂信息影响了西方生物医学对中医药的接受，也阻碍了它与西医实践的融合，而系统生物学方法为解决中药复方和单味中药生物学效应和标准化提供了可能。本文就系统生物学在中医药研究的应用做一综述，并对发展前景提出展望，为利用系统生物学方法研究中医药提供参考依据。

1 系统生物学在中医药研究的应用

系统生物学可以代表一种单点(或多点)与生物的相互作用模式，这与中医药学的多靶点、整体观的思维有相似性，也与中医理论指导下用药规律具有相通性。中医药对疾病的干预属于一种动态的药物系统与人体系统的相互作用，与西医基于单一实体或单一靶点的作用不同[5]。系统生物学对多种疾病的发病机制和中医药干预研究属于另外一个应用领域的研究，所涉及的问题均可以通过系统生物学如基因组、转录组、蛋白质和代谢组等来解决[6]。

转录组学研究的是生物体体内可表达的基因，与基本上是静态的基因组不同。转录组学是高度动态的，实时反映细胞类型和细胞状态，能实时反映中医药干预疾病的相应信号通路的状态。蛋白质组学和代谢组学都是转录组学中基因表达的改变而引起的，是整个过程在蛋白质和代谢物层面的最终结果。中医药干预疾病目前采用转录组学、蛋白质组学和代谢组学技术较多，为中医药发展开辟出一条新的途径。

1.1 转录组学

转录组学是在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科，从核糖核酸(RNA)水平研究一个活细胞所能转录出来的所有RNA的总和，是研究细胞表型和功能的重要方法。转录组学中包含了对时间和空间的限定，因为不同组织细胞携带的基因物质是相同的(人类基因组大概包含30亿个碱基对)，但对相同的一套基因转录成mRNA的只有其中5亿个基因，而最终被翻译生成蛋白质的更少。即使是同一细胞在不同的生长环境和不同的生长时期，其基因的表达情况也是不完全相同的。

罗乔荔等[7]探究了拉斯穆森综合征患者脑组织的转录组学特征，结果显示，患者与对照脑组织差异表达基因(differentially expressed genes，DEGs)谱存在明显差异，共筛选出1 285个DEGs，其中782个(占60.9%)下调，503个(占39.1%)上调。上调表达的DEGs主要富集于神经元信号转导相关的通路，下调表达的DEGs主要富集于细胞骨架、细胞周期及趋化作用相关的通路。潘媛等[8]采用高通量测序技术对不同发育时期的川佛手果实进行转录组测序，筛选获得3 379个差异基因，主要集中在信号传导、生物调控、代谢等生物过程，富集到淀粉、蔗糖的代谢，苯丙素、类黄酮的生物合成等代谢通路。Cazanave等[9]采用转录组测序技术对非酒精性脂肪性肝病进行研究，筛选出多个DEGs，主要涉及脂肪肝发生发展过程中脂质氧化、氧化应激途径与脂肪生成。

潘媛等[8]对不同发育时期的川佛手果实进行转录组测序，获得3 379个DEGs，为进一步挖掘川佛手有效成分生物合成过程中的关键基因，解析调控其有效成分生物合成途径。徐世强等[10]利用转录组测序分析黄金艾蒿主要代谢成分合成途径的关键基因，获得45 494个DEGs，研究结果为下一步有针对性地研究黄金艾蒿的代谢物质活性、开展黄酮类化合物合成关键基因的功能的研究奠定了基础。胡渊龙等[11]整合转录组学与网络药理学探讨黄芪-白术药对治疗慢性阻塞性肺疾病(COPD)的机制,功能富集分析显示核心靶标功能表现在炎症反应、氧化应激反应、血管新生3个方面，表明黄芪-白术药对改善炎症反应、氧化应激反应、血管新生的作用是治疗COPD的潜在关键机制。惠振等[12]采用RNA-seq技术分析复方通络饮治疗脑梗死的转录组学特征，结果表明，复方通络饮在脑梗死后可能通过干预细胞跨内皮迁移与黏着斑功能以减少炎症反应、减轻脑水肿从而发挥保护作用。朱静等[13]对广藿香干预的营养性肥胖大鼠的肝脏进行转录组学测序，结果表明，芳香化湿药物广藿香对营养性肥胖大鼠的降脂作用可能是通过调控胰岛素信号通路中相关基因和蛋白表达来实现的。汪颀浩等[14]采用转录组学技术研究了附子对盐酸普罗帕酮致急性心力衰竭大鼠的作用机制，表明其可能与调控磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide-3 kinase，PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B)、Janus激酶(janus kinase，JAK)信号转导及转录激活因子(siganal transducer and activator of transcription，STAT)信号通路有关。

1.2 蛋白质组学

由于翻译调控和翻译后调控的存在，RNA 的表达量与实际对应蛋白质的含量还会存在变化，因此，想要精细了解生物体内蛋白质组的定量信息，直接观察蛋白质组学的变化也是一种直接解决问题的方案。

梁瑞强等[15]通过蛋白质组学技术手段找到适用于药材全蝎含量测定的目标蛋白质及其特征肽段，用该特征肽段形成定量方法。许凯霞等[16]探讨左归丸含药血清对高糖负荷下体外培养ICR小鼠早期胚胎影响的蛋白质组学机制，结果发现，高浓度葡萄糖不利于胚胎发育与健康，左归丸含药血清可通过调节培养液中相关蛋白通路保护胚胎发育、改善或预防糖耐量低减和糖尿病等相关疾病。许宏钦等[17]采用蛋白质组学方法研究了消癌解毒方对肝癌大鼠脂质代谢的影响，发现差异蛋白主要富集于代谢类别，主要与脂质代谢相关，在类固醇激素生物合成、脂肪酸降解、过氧化物酶体增殖物激活受体通路上有明显富集。饶希午等[18]采用蛋白质组学分析清热解毒法作用于肝癌大鼠的血清蛋白差异表达，结果表明，差异表达蛋白主要参与了代谢、炎症反应、免疫调控、自噬、热休克、氧化应激、细胞周期与凋亡、细胞生长与分化、基质降解、血管生成、肿瘤转移、癌相关、肝再生修复等，研究证实清热解毒法(白花蛇舌草、半枝莲)作用于肝癌大鼠有多靶点、多中心的调控作用。孙梦盛等[19]通过蛋白质组学技术发现宽筋藤可能通过上调网格蛋白、囊泡生成转运及神经递质释放相关蛋白，促进了神经递质的合成与释放，改善了脑内胆碱功能，从而发挥干预阿尔茨海默病的病理进程的作用。苗玉发等[20]研究了酮康唑和四氯化碳致大鼠肝细胞损伤后血清中的差异蛋白，鉴定出的4种差异蛋白可以作为肝细胞损伤的潜在生物标志物。饶希午等[21]观察了临床验方消癌解毒方的益气养阴组分药物太子参和麦冬对肝癌大鼠血清蛋白差异表达的影响，证实益气养阴法作用于肝癌大鼠有多靶点、多中心的调控作用。研究者[22]通过二维电泳图谱研究了钩藤碱对大鼠脑组织的额叶皮质和海马的蛋白质组学变化的影响，结果发现了不同脑部位显著变化的差异蛋白质，还发现钩藤发挥作用可能与其所含的钩藤碱对巨噬细胞移动抑制因子和亲环蛋白A的表达的抑制作用有关，证明了钩藤及其主要成分钩藤碱的抗惊厥作用与其氧自由基的清除活性密切相关。另有研究者[23]采用蛋白质组学方法研究了紫龙金对MCF-7细胞中蛋白质表达的影响，鉴定出了表达显著差异的蛋白质，涉及蛋白质翻译、细胞信号转导、细胞骨架形成和转运等生物活动。

1.3 代谢组学

代谢组学是对生物体内所有小分子代谢物进行定量分析，并寻找与机体生命活动、病理变化相对应的代谢物质的研究方法。代谢物的生成直接反映了细胞的生存环境，与机体内环境、细胞状态、药物和外界因素的影响密切相关。代谢途径相互混合、相互作用，在任何一个水平(转录、蛋白)的代谢通路中，干扰任何一个代谢通路都会扰动下游结果，从而影响最终的系统生物学表型。

有学者[24]研究了肾阳虚证的代谢特征和中药骨碎补的干预效果，结果表明，肾阳虚证恢复效果具有时间依赖性，其间体内一些代谢物具有很明显的改变，如苯丙氨酸、苯乙酰甘氨酸、N2-琥珀酰-L-鸟氨酸等，这些发生变化的代谢物与能量代谢紊乱、氨基酸代谢和肠道微生物群有关。另有学者[25]采用血浆代谢组学与网络药理学相结合的方法探讨莪术在血瘀治疗中的作用机制，采用代谢组学筛选出26种潜在的急性血瘀代谢标志物，代谢途径分析显示莪术可改善血瘀证的作用机制主要与脂代谢和氨基酸代谢有关。徐世强等[11]通过非靶向代谢组学鉴定黄金艾蒿叶片中的次生代谢物质成分，鉴定出氨基酸类、生物碱类、奎宁酸及其衍生物类，以及黄酮类等共98种代谢物。邓静等[26]采用气相色谱-质谱联用技术探讨妇科千金胶囊挥发油对盆腔炎大鼠血清中内源性标志物的影响，并初步探讨其作用通路，结果表明，妇科千金胶囊挥发油对盆腔炎性疾病的干预作用可能与抗坏血酸和醛糖二酸代谢有关。李雪嘉等[27]采用核磁共振氢谱的代谢组学方法探讨黄芪-山药药对对2型糖尿病大鼠粪便中内源性标志物的影响，结果表明，黄芪-山药药对治疗2型糖尿病的作用可能与其调节能量代谢、脂质代谢和氨基酸代谢等多条代谢，改善内源性代谢物的水平，恢复机体正常代谢活动有关。刘窈玉等[28]探究蜘蛛香提取物对母婴分离联合3种应激所致腹泻型肠易激综合征(IBS-D)模型大鼠的药效作用和干预后粪便中内源性代谢产物的变化，研究结果不仅证明了蜘蛛香提取物对IBS-D模型大鼠具有明确的药效作用，还从粪便代谢组学的角度探讨了蜘蛛香提取物治疗IBS-D模型大鼠的药效机制。刘圣金等[29]通过青礞石干预戊四氮(PTZ)点燃癫痫大鼠的脑组织的代谢组学研究探讨青礞石治疗癫痫可能的作用机制，结果表明，青礞石对PTZ癫痫大鼠的干预作用可能与其干预D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，以及花生四烯酸代谢通路有关。何泽慧等[30]进行了消胀贴膏敷脐治疗肝硬化腹水的临床代谢组学研究，结果表明，消胀贴膏改善肝硬化腹水的作用机制可能与调节机体氨基酸及其代谢产物的水平相关。张楠等[31]探讨酒精性肝损伤的潜在生物标志物及枳椇子护肝功效的作用机制，通过代谢组学分析，发现10个与酒精性肝损伤(alcoholic liver disease,ALD)相关的生物标志物，提示枳椇子通过调节三羧酸循环、氨基酸代谢、磷脂代谢、能量代谢等通路起到预防ALD的作用。刘腾等[32]基于代谢组学研究黄芪注射液对白细胞减少症模型小鼠的干预作用，结果表明，黄芪注射液升高白细胞的作用可能与亚油酸代谢，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成及苯丙氨酸代谢等途径有关。杨琳琳等[33]对一年生和两年生的不同采收月份黄芩叶化学成分差异及其变化规律进行研究，结果表明，不同采收期黄芩叶的差异代谢物的相对含量、动态变化趋势与黄芩叶生长月份、年限等因素相关。

2 多组学联合分析

多组学的联合分析是功能基因组学时代研究的重要策略，有利于系统地研究机体功能变化和致病机制、药物作用途径等，具有整体性和高通量的优势。目前广泛应用于基因组、转录组、蛋白组和代谢物的相关研究中。

在系统生物学中，将组学中得到显著差异的基因、蛋白和代谢物之间使用皮尔森相关系数进行相关性分析应用最广泛。Lin H等[34]利用皮尔森相关系数得出相关性分析热图、差异代谢物、富集通路分析、差异基因与差异代谢物互作网络，构建出了大豆在同一代谢物组或不同代谢物组之间存在着一些显著的相关性。Rao G等[35]通过皮尔森相关系数检测核桃仁中7 225个代谢物与代谢物的相关性，揭示了大部分碳水化合物和蛋白质衍生的碳在核桃成熟过程中转移到其他化合物(如脂肪酸)，这为进一步研究核桃成熟提供了基础。Kaling M等[36]整合转录组学和代谢组学，证明了菌根杨树叶片氮分配的变化和蛋白酶抑制剂、几丁质酶和醛肟生物合成等代谢途径有关。Ni J等[37]采用宏基因组测序和代谢组学分析患有克罗恩病的儿科患者的粪便样本，发现疾病严重程度与肠道失调、游离氨基酸的细菌之间的关联，从而证明了炎性肠病期间的肠道生态失调与相关的肠道微生物群的改变有关。Peng S等[38]研究全氟辛酸的肝毒性特征，应用基于液相色谱/质谱的代谢组学和转录组学分析的系统毒理学策略以研究全氟辛酸对代表性中国正常人肝细胞系L-02的影响，在代谢水平上鉴定了15种潜在的生物标志物，大多数与基因表达水平的改变一致。Lu X等[39]通过转录组学和代谢组学研究黄曲霉毒素B1诱导的急性肝毒性的机制和潜在的生物标志物，结果表明，黄曲霉毒素B1诱导急性肝毒性产生氧化损伤，诱导的p53信号通路是主要过程，急性肝炎代谢的主要改变原因是糖原异生和脂质代谢紊乱。

3 系统生物学发展前景展望

系统生物学面临的一个问题是生物体通常以复杂和不可预测的方式对引起疾病或损伤的刺激产生反应，而且环境和生活方式因素也会对疾病的发展产生影响，在某种意义上与中医药的全局整体观不谋而合。当然，系统组学可通过数据统计模型和监测尽可能多地影响全局的因素从而避免这些问题[40]。随着大数据时代的到来，通过尽可能多的流行病学资料和系统组学分析，回顾性地探讨疾病的发病因素，对降低医疗成本、有效预防疾病提供了可能[41]。可以预见，系统生物学在中医药中的应用会越来越广泛，将会为中医药的现代化发展提供广阔的空间。