现代分子生物学在中药研究中的应用

现代分子生物学在中药研究中的应用
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[摘要] 现代科学技术的发展，为中药的研究和发展提供了诸多的技术手段并奠定了基础，使中药在保留整体、宏观优势的同时取得现代科学的微观分析 ,也开辟了许多新的中药研究领域，从而推动了中药研究的不断进步和完善。

[关键词]现代分子生物学中药基因学生物芯片技术 DNA指纹技术
现代分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达调控机理的科学。

现代分子生物学从分子水平上研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律，它涵盖了生命科学的各个领域，改变了或正在改变着整个生物学的面貌，其研究成果已在工业、农业、医药、食品、材料、能源、冶金、环保等领域得到了广泛的应用。

中药是我国的国粹，是世界医学的重要组成部分。

就中药方面来说，现代科学技术的发展，尤其是在分子生物学技术上取得的巨大进步，为中药的研究和发展提供了诸多的技术手段并奠定了基础，使中药在保留整体、宏观优势的同时取得现代科学的微观分析 ,也开辟了许多新的中药研究领域，从而推动了中药研究的不断进步和完善。

如研究中药的DNA和RNA 技术、基因技术、基因工程技术、基因芯片技术以及基因组学与蛋白组学的发展,都从分子水平上去阐明中药及其复方的分子作用机理；去发现、克隆和表达那些中药有效成分基因与次生代谢产物的酶基因；去改良和培育新的品种；保存中药的种质资源与基因资源以及中药材的现代鉴别技术等。

现将现代分子生物学在中药研究中的应用做一综述。

一、基因组学与中药开发
人类基因组学的研究方法与中药学的整体观、辨证观有很多相似之处。

如一种疾病可能由多个基因的改变所致,而同一个基因的不适当的表达状态又可能导致疾病。

尤其是从结构研究向功能研究方式的转变,反映了分子生物学在中药领域应用的依据和前景。

目前研讨的是中医证候基因组学、中药(药效) 基因组学组方理论、药性理论,探索其科学内涵,研究并构建中医的某一个“证”或某一个中药或方剂对人类基因组的影响和改变的全息图对应关系,为中药现代化提供发展源泉。

转基因药物植物或动物研究是目前中药研究比较活跃的领域之一。

大部分中药材的有效成分是次生代谢产物。

我国现已克隆出青蒿素生物合成途径中的关键酶基因及紫杉烯合成酶基因。

目前国内已经开始进行药用植物的遗传性改良工作,根据实际需要培育出了一系列抗虫、抗盐、抗病、抗除草剂的新品种。

基因表达调控用于中药作用机制的研究可从转录水平、分子水平揭示,更本质地反映中药的药理,为中药使用的科学性和疾病的治疗提供理论上的保障。

目前,这方面的研究已引起国内外学者的关注。

随着分子生物学的发展,人们已能用DNA 抽取技术从干燥药材中提取DNA ,以DNA 多态性为基础,根据不同种属药材间DNA 变异情况进行真伪鉴定。

就药物基因组而言，药物基因组学将基因组技术，如基因测序、统计遗传学、基因表达分析等用于药物的研究开发及更合理的应用。

基因检测等技术的发展已经给鉴定遗传变异对药物作用的影响提供了前提条件，可用高效的测定手段如凝胶电泳技术、聚合酶链反应、等位基因特异的扩增技术、荧光染色高通量基因检测技术，来检测一些与药物作用的靶点或与控制药物作用、分布、排泄相关的基因变异。

DNA阵列技术、高通量筛选系统及生物信息学等的发展，为药物基因组学研究提供了多种手段和思路。

二、生物芯片技术的应用与药物筛选
生物芯片(Biochip) 技术是生命科学研究领域中一项具有战略意义的前沿高新技术，它是随着“人类基因组计划”( Human Genome Project ，HGP) 发展起来的。

该技术融微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术等于一体，是生物学技术与其它学科相互交叉和渗透的产物。

生物芯片技术将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程( 样品制备、化学反应和分析检测)连续化、集成化、微型化，具有高信息量、快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等特
点。

生物芯片是指利用微陈列技术将成千上万的生物信息密码集中到一小片固相基质上,从而使一些传统的生物学分析过程能够在尽量小的空间范围内进行,以尽量快的速度完成的新兴生物技术。

这些芯片包括基因芯片(又称DNA 芯
片,DNA Microarray) 、蛋白质芯片、微流路芯片(芯片实验室) 等。

因此,基因芯片在中药方剂的药理、药效和不良反应研究方面将有无可限量的前景。

这种应用主要有以下两方面：
1、确定中药方剂靶标和药剂
用基因芯片技术确定中药方剂靶标,进行药物筛选的方法可分成5 步:a. 芯片的制备,根据人类细胞基因表达谱数据库选择与疾病相关的基因及探针制备药物筛选芯片。

b. 药物作用模型的建立,可以构建细胞水平和实验动物整体水平的药物作用模型。

c. 药物刺激和mRNA 的提取,逆转录标记;分别提取药物刺激前后的细胞mRNA。

通过逆转录过程使之产生cDNA 并使荧光标记物掺入cDNA 或标记。

用药物喂饲动物,用喂饲前后的动物器官提取mRNA 进行类似的逆转录cDNA 标记。

d. 标记基因表达产物与DNA 芯片的杂交:将药物刺激前后的细胞mRNA 相应的标记cDNA 与药物筛选芯片进行分子杂交试验。

e. 杂结果用激光激发杂交后的芯片,杂交点会产生相应强度的荧光,并把芯片产生的进行激光共聚焦扫描,把芯片杂交图(表达谱) 存入计算并进行统计分析。

可以了解受药物刺激前后基因表达的情况,确定药物作用的靶基因和疗效。

比如一种抗癌药,它如果能抑制细胞癌变基因的表达,说明它有抑癌和抗癌作用。

2、对中药毒性的评价
生物芯片是一种潜在的研究药物作用机制的有效工具。

药物代谢环节中P450酶是十分重要的，另一方面，从P450酶对药物的作用来看，P450对药物修饰后能够产生有效分子或有毒分子，对于药物的这方面预测显得比较重要,这一高通量的方法可以用于小分子药物的ADME／TOX研究，在药物研究早期发现一些毒性作用。

中药、中成药是个复合成分,对药物进行毒性评价是筛选一种药物的一个重要环节。

某些具有期望药理效应的中药,也可能同时干扰细胞组织代谢的其他环节,而导致毒副作用。

由于基因芯片(DNA 芯片) 可容纳巨大数量的基因探针(可
以是细胞全部基因探针) ,因此利用上面叙述的分子杂交试验和数据分析,就可以了解到一个药物对细胞或实验动物正常代谢的影响,并从分子水平方面估计药物的毒副作用。

此种方法比动物实验要准确、快速、省钱、省时。

基于上述,国外的许多大制药公司,都大力使用基因芯片技术来筛选药物。

显然使用这种高新技术对开发中药将产生巨大的推动作用。

选择合适的作用靶标是药物筛选乃至定向合成中的关键因素之一。

表达谱基因芯片技术可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参量同时进行研究，以发掘筛选靶标即疾病相关分子，同时获取大量其他信息。

传统的中药物种通过外观来鉴定，随着人们对中药基因了解的增多，近年来分子生物学的一些方法开始用于中药分类学研究，其原理是基于任何一个生物个体，不受发育阶段影响，其不同组织器官部位以至细胞都具备相同的遗传信息。

这些方法中以基因芯片技术最具有潜力。

目前已有学者开始对道地与非道地药材如贝母、金银花等的DNA序列进行研究，分离特异核苷酸序列作为探针并制备了DNA芯片。

目前国内外许多大型研究单位正加紧进行这方面研究，并取得了可喜的成果。

三、DNA指纹技术在中药研究中的应用
DNA指纹技术是分子生物学中的一种新技术。

它是从分子水平区别不同种类生物之间以及同种生物之间差异的重要手段。

它在法医学鉴定、物种起源进化研究、动植物及微生物DNA 指纹资料库的建立、畜牧科学研究、癌症的研究、疾病的诊断、亲子鉴定等方面具有非常重要的应用。

DNA 指纹技术所用的探针有probe33. 15、prabe33. 6、bacteriophageMB、pig repetitire clonep83 PGB725、poly ( GT) containing18. 1、( GTG) 5/ (CTC) 5 、(CTC/ TA) 4 及(GT) 12等. 以上除Jeffrey 等的探针外,其余是用人工化学合成或从生物组织中提取后再扩增的方法生产出的高水平的探针。

根据这些探针的结构,把它们分为小卫星探针和简单重复序列探针。

简单重复序列探针又包括微卫星探和寡聚核苷酸探针.小卫星探针为33 bp，微卫星探针10～20 bp，寡聚核苷酸探针在10 bp 以下。

DNA 指纹技术的建立是植物资源学研究方法的重大突破,为药物植物种质资源的分类与鉴定开辟了一条新途径。

如RAPD(随机扩增多态性DNA) 技术是由Williams 和Welsh等[9 - 10 ]于1990 年在PCR 技术上发展起来的。

该项技术简
单、快速、不需预先知道目的基因的碱基顺序,仅用少量的材料即可直接比较不同种遗传物质DNA 的细微差别,分析种质资源的遗传多样性,获得丰富的遗传信息。

目前RAPD 技术用于人参、西洋参、细辛、龙胆草、蒲公英等鉴定已获得成功。

日本东京大学Ozeki 等[11 ]运用RAPD 技术分析人参、高丽参、竹节参以及2 种人参制品,实验结果表明RAPD 分析方法不仅可以鉴别人参与其他药材,还可以鉴别人参制剂的中药品种。

总之,生物芯片、基因组学、DNA 指纹技术的发展不仅为生命科学的诸多领域研究带来了一场革命,而且为我国中药研究和开发带来了新的契机,应用前景非常广阔。

因此，利用分子生物学技术尤其是基因技术在中药领域中的研究已经取得了很大的成就,建立和完善了多种系统方法学. 分子生物学、中药基因组学及蛋白质组学等应运而生,使中药正在走向世界. 同时在今后的研究中更应大力借助于分子生物学技术对药用植物的遗传多样性的分子检测、中药材品种的系统整理与质量标准化及药用植物生物多样性保护与生药资源可持续利用等方面进行更进一步的研究。

[参考文献]
[1] 石志兴、林文森现代分子生物学在中药研究中的应用.
[2] 周朝金现代分子生物学技术在中药研究中的应用.
[3] 李长有 DNA 指纹技术的研究进展及应用.
[4] 王颖生物芯片技术及其应用研究
[5] 宋凯耿义良生物芯片技术的发展
[6] 陶曙生物芯片技术在药理学研究中的应用
[7] 周联、王培训、赖小平基因芯片在中药复方研究中的应用
[8] 吴明煜、郭晓红、王万贤生物芯片研究现状及应用前景
[9] 许智宏、刘春明植物细胞的遗传转化和基因工程
[10] 罗非群、曹亚基因芯片技术的出现及对生命科学发展的影响。