系统生物学技术在骨质疏松症研究中的应用进展

王高祥 楚淑芳 寇鑫晖 卢赵琦,3 曾霖,3 黄倩,3 曾华 李惠林*

1.南京中医药大学附属深圳市中医院，广东 深圳 518000 2.深圳市中医院，广东 深圳 518000 3.广州中医药大学第四临床医学院，广东 深圳 518000

目前，骨质疏松症(osteoporosis，OP)在全球的患病人数已达到2亿多，且这一数字在不断增加。此外，OP每年在全球世界造成约900万次骨折[1]。因此，更深入地研究OP是当务之急。基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学和网络药理学是系统生物学的重要组成部分[2]。随着系统生物学的飞速发展，这些组学技术在OP的疾病诊断、疾病机制和药物治疗等方面研究中的应用也日益增加。因此，本文综述了近年来系统生物学技术在OP研究中的应用进展。

1 基因组学

基因组学起源于20世纪90年代末，是一项研究机体全部基因结构和功能的技术[3]。在人类基因组计划完成后，基因组学技术在医疗科研领域逐渐普及，该技术有助于临床和科研工作者从整体到组织、从细胞到分子全面、深入地了解疾病[4]。在过去的20年中，基因组学发展迅速，但是基因组学技术应用于OP研究的相关报道并不多[5]，目前少量相关报道主要集中在疾病靶点和药物治疗机制方面。赵旭等[6]运用基因组学技术对中药复方左归丸和西药戊酸雌二醇两种治疗手段治疗绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，PMOP)治疗前后的骨髓基因表达变化进行比较，发现两组治疗前后的差异基因表达变化均与免疫反应和炎症有关，得出中药复方左归丸和西药戊酸雌二醇都可通过减轻免疫反应和缓解骨髓微环境的炎症来改善PMOP状态下的骨髓微环境。Xianzuo等[7]运用基因组学和转录组数据的综合分析，鉴定女性OP的调控网络，旨在阐明OP发作的转录调控和遗传性，发现JUN和ACSL5是OP的枢纽基因，并确定了与骨密度密切相关的16个mRNA和40个lncRNA，认为这些mRNA和lncRNA可能是特异性的靶点，可用于诊断OP。

2 蛋白质组学

蛋白质组学技术可以从复杂生物样本中分离和鉴定蛋白质，能够客观准确地反映其在各样本中的含量，为不同组样本蛋白质水平的差异筛选提供了一种有力的方法[8-9]。蛋白质是机体代谢的主要执行者，也是多种疾病的作用靶点，蛋白组学通过全面地比较不同体液、组织中蛋白质的差异，客观地反映个体生理病理状态，在OP的诊断标志物和疾病机制等研究中发挥巨大作用[10]。Chen等[11]运用定量蛋白质组学，分析从OP不同阶段的人群中提取的蛋白质，发现并验证了4种与OP相关的外泌体蛋白：PSMB9、PCBP2、VSIR和AARS，这些外泌体蛋白可能有助于诊断OP和发现骨代谢疾病背后尚未被发现的相关机制。Huo等[12]运用蛋白质组学分析OP患者组和健康对照组两组血清微泡蛋白质差异，发现两组微泡中Vinculin、Filamin A、Profilin 1等蛋白存在明显差异，这些蛋白质或许可以作为评估和诊断蛋白质流失的宝贵指标，经验证Profilin 1蛋白的变化的可有效反映骨量的变化。Calciolari等[13]通过蛋白质组学分析OP对Wistar大鼠颅骨临界尺寸缺损模型中骨再生治疗后蛋白表达的影响，发现治疗后炎症和应激反应通路相关蛋白的过度表达，以及骨细胞前体的延迟成熟和骨细胞前体的减少/延迟分化的趋势。Zeng等[14]运用定量蛋白质组学与综合网络分析方法挖掘与OP相关的新基因和通路。李生强等[15]运用蛋白质组学技术分析PMOP有哪些蛋白与非编码RNA u431+互作关联，发现乳铁蛋白与之具有较强的互作功能，值得深入研究。

3 转录组学

在高通量测序等技术的不断进步的今天，转录组学技术已经成为研究疾病发病机制和机体特定生物学过程的主要研究方法之一[16]，它可以快速、全面地分析特定的组织样本，得到其在特定状态下的转录本信息，方便快捷地筛选出与正常组织有差异的基因。尽管目前蛋白质组学能够成功筛选出OP的分子靶标，但是转录组学的相关研究仍然值得关注[17-18]。Ying等[19]运用转录组学技术分析糖皮质激素导致的OP的特点，发现了158个糖皮质激素相关的候选基因，这些基因在OP相关通路中显著富集，阐明了糖皮质激素相关基因的表达机制，为糖皮质激素引起的OP的诊断和治疗提供新的指导。

4 代谢组学

在基因组学、蛋白组学、转录组学技术的基础上，20世纪90年代出现的代谢组学也是系统生物学中的一项重要技术[20]。代谢组学是一种可定性和定量分析细胞、组织、器官或生物体液中的内源性小代谢物，并有助于理解代谢组学谱变化的研究方法[21-23]。OP是一种全身性代谢疾病，代谢组学主要研究对象是代谢产物，因此，近年来，基于代谢组学技术研究OP的报道相对较多，主要集中在OP患病前后、药物干预前后的代谢产物变化。Zhang等[24]通过液相色谱质谱代谢组学技术观察与OP骨密度相关的代谢标志物，纳入634名相关OP患者，评估了209种血浆代谢物，并进行长达27年的随访评估了骨质疏松性骨折，通过孟德尔随机分析，发现甘氨酸、磷脂酰胆碱和三酰甘油与股骨颈骨密度呈负相关，磷脂酰胆碱和三酰甘油与腰椎骨密度呈负相关。Ma等[25]等通过尿液代谢组学分析大黄苷治疗PMOP生物标志物和代谢通路，发现并鉴定出 27 种生物标志物与 16 种代谢通路，主要涉及类固醇生成、长链脂肪酸的β氧化、谷胱甘肽代谢、肉碱合成、雌激素代谢和支链脂肪酸氧化等。Zhao等[26]运用代谢组学技术研究淫羊藿乙醇提取物对OP大鼠模型的药理学作用及作用机制，发现了16种潜在的生物标志物，并通过进一步的通路实验，发现花生四烯酸代谢通路和甘油磷脂代谢通路可能是淫羊藿乙醇提取物作用于OP大鼠模型的关键通路。Si等[27]通过高通量代谢组学方法评估蛇床子素对PMOP的疗效，发现蛇床子可以通过影响内源性代谢物，有效减轻了卵巢切除术引起的大鼠OP，具有治疗PMOP的潜力。Ye等[28]运用非靶向代谢组学策略揭示了牛骨骼胶原蛋白肽对卵巢切除引起的大鼠OP的成骨机制的影响，共鉴定了41种生物标志物，其水平在治疗后发生了明显变化。其中，在牛骨骼胶原肽组中有21种代谢物表达水平下降，20种代谢物表达水平上升，这些最终被认为是其治疗OP的潜在的生物标志物。

5 网络药理学

网络药理学以系统生物学和疾病-基因-靶向医学的概念为基础，被证实是一种预测药物治疗在整个机体水平上对疾病的作用机理的新方法[29]。网络药理学取代了当前“一种药物、一个靶点”的研究思路，采用“药物-靶点-通路-疾病”的研究策略去研究药物和疾病的关系，已被证实是探索药物与疾病之间复杂关系的一种很有前景的技术[30-31]。这一新的研究技术的特点与OP多靶点的疾病特性是一致的。网络药理学主要被用于研究单味中药或中药复方在治疗OP的作用靶点以及通路。Li等[32]通过整合多个数据库和网络药理学层面的广泛分析，并经过斑马鱼模型实验验证，研究肉苁蓉治疗OP和阿兹海默症的双重作用，鉴定出22个具有双重作用的活性成分和9条相关通路，发现黄酮类、萜烯和甾醇等化合物表现出较好的疗效，MAPK和TGF-β信号通路可能是肉苁蓉治疗OP和阿兹海默症的两个最重要通路，提高了对OP和阿兹海默症分子机制上的联系的理解。Liu等[33]检索了TCMSP、TCMID、SwissTargetPrediction、DrugBank、DisGeNET、GeneCards、OMIM和TTD等数据库，运用网络药理学探讨山茱萸在OP治疗中的潜在机制，研究发现山茱萸的活性化合物表现出与IGF1R、INSR、ESR1和MMP9的良好结合能力，主要与卵巢类固醇生成相关通路有关的蛋白质发挥作用，这些通路在雌激素生物合成中至关重要。该研究为预防和治疗OP的自然疗法的发展提供了新的见解。Qin等[34]运用网络药理学方法预测二至丸抗OP的活性成分和相关靶点，并进行功能富集分析，并进行动物实验，试图揭示二至丸治疗OP的药理作用和潜在分子机制，发现二至丸可通过调节雌二醇抑制骨量丢失。Zhou等[35]运用网络药理学和分子对接的方法研究五苓散治疗的潜在机制，经筛选发现五苓散主要通过EGF、ERBB2、MTOR和HIF-1等靶标治疗OP。

6 总结与展望

综上所述，近几年，系统生物学技术在OP的疾病诊断、发病机制和药物治疗的研究中被广泛应用。系统生物学技术可以帮助科研工作者更高效、准确、整体地从基因、mRNA、蛋白质和代谢物层面了解OP。虽然目前系统生物学尚处于发展阶段，但是其在OP研究中展现出的活力和应用价值不容小觑。从系统生物学角度，分析基因、mRNA、蛋白质和代谢产物失调在OP发病过程中的重要作用，研究药物治疗OP的作用靶点和通路，这对OP的研究具有重要意义。目前基于网络药理学、代谢组学、蛋白组学技术的OP研究相对较多，但基于基因组学和转录组学的OP研究相对较少，或许是值得关注的方向。未来，会有更多新兴组学技术的不断发展，基于系统生物学技术的OP方面的研究必不断涌现。