生物信息学在毒理基因组学研究中的应用
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化合物潜在 毒性的有关信 息可以通过筛 选模 式, 如 REACH ( Reg istrat ion, E va luation, Au thorisation and R estrict ion o f Chem icals) [ 20] 、H PV ( H igh Produc tion Vo lum e)或针对化合物的不利影响进行环境监 控而获得。通过对作用模式 ( modes o f act ion, MOA ) 的了解, 可以进行基于机制的危险度评价, 确定预测 的生物标志物 [ 21 ] 。
1 毒理基因组学及其研究手段
毒理基因组学 ( tox icogenom ics) 是一门 由毒理 学与基因组学相互交融而产生的新兴学科, 其目的 是运用基因组资源及技术探索并研究潜在的威胁人 类健康或环境质量的毒物。毒理基因组学是在基因 组水平上研究个体基因如何对环境因 子素作出应 答, 特别是一些生物信息, 如 mRNA 和蛋白质表达
action o f bio inform atics in the study of tox icog enom ics, the ex isting problem and pro spect. K ey W ords: b io inform atics; tox ico logy; g enom e; b ioma rker
基因敲出小鼠模型也用于毒理学研究, Yax iong X等研究了砷对 m dr敲出小鼠的影响, 发现与正常 小鼠相比较, 肝部有较高 的砷积累, LPO 也增加, 并且有更明显的肝损伤。几个与致癌 性有关的基 因, 如 cyclin D1, PCNA 和 c- m yc, 都有较高的表达
水平 [ 18] 。G onsebatt等 [ 19] 报道了砷引起肝细胞株的 细胞角蛋白 ( Cytokerat ins, CK) 表达水平提高。
33 2
生物信息学
第 8卷
和 SAGE分析等都将产生高通量、大规模的基因组 信息, 没有功能强大的软件是不可能处理这些海量 数据的。生物信息学技术正好能满足这种需求, 它 以庞大的数据库作为支持, 并从中分析挖掘基因组 序列中代表蛋白质和 RNA 基因的编码区, 归纳、整 理与基因组遗传信息表达及其调控相关的转录谱和 蛋白质谱数据。现在已有各种从简单分析到复杂处 理的软件, 如 E isen C luster ing T oo l ( Stanford U niver sity) , Gene- Spring ( Silicon Genetics) , SIMCA - P ( Um etrics)以及 Rosetta Reso lver ( M erck) , 每种软件 都提供了两种以上的分析方法, 可供科学家选择。
动物模型研究证实应用微阵列可以确定特殊化 学物质产生的特征基因表达谱 [ 23- 24] , 通过比较未知 化学与具有相同生物学作用终点的已知化学物质的 相关基因表达谱, 预测未知化学物质的毒性。微阵 列特征基因表达谱可用来提前预测一种新药、新农 药的潜在不良作用, 为预防药物的毒性作用提供有 价值的信息。
第 8卷 第 4期 2 0 1 0年 1 2月
生物信息学 Ch ina Journa l o f B io inform at ics
Vol 8 No 4 Dec. , 2010
生物信息学在毒理基因组学研究中的应用
李宏, 王崇均*
( 重庆工商大学环境与生物工程学院, 重庆 400067 )
摘要: 毒理基因组学主要在基因组水平上研究机体对环 境因子 的应答 反应, 了解基 因和环 境交互 作用在疾 病发生 中的作 用。 生物信息学与毒理基 因组学研究的结合为环境与健康研 究开辟 了新的方 法。本文 对毒理基 因组学 的研究 手段、意义 及面临 的挑战, 生物信息学在毒理基因组学研究中的作用以及存在的问题和展 望进行了综述。 关键词: 生物信息学; 毒理学; 基因组; 生 物标志物 中图分类号: Q 1 文献标识码: A 文章编号: 1672- 5565( 2010) - 04- 330- 04
开发生物学智能库需要一个全新的数据处理、 数据整合和计算机模拟的模型。该模型必须准确反 映网络水平上分子表达和系统水平上的生物学效应 之间的关联。还需要整合众多毒理基因组学的研究 数据, 形成一个跨基因、跨物种的综合 性信息数据 库。这些数据库收集的信息并非原始的数据, 而是 经过处理的有一定生物学意义的研究结果。通过化 学物的结构、应激原的类型、基因、蛋白质、代谢物分 子标签或表型变化进行数据库信息查询, 来研究受 试物质的毒理学效应。综合的基因表达数据库和用 于数据分析的软件对毒理基因组数据的解析有重要 的作用。一些公司, 如 GeneL og ic、CuraGen、Icon ix 和 Phase I虽为药物公司提供了商业的毒理基因组数 据库, 但不对外公开。 1999年, 经 H SE I( H ealth and Env ironm en tal Sciences Inst itute) 与学术、政府和工业 代表协会的合作, 组建了针对基因组数据使用的委 员会, 并与 EB I( European B io inform atics Inst itute) 一 起开创了毒理基因组数据公开使用的先例, 提出了 有关微阵列实验的信息标准 ( M IAME, M in im a l In fo rm ation abou tM icroarray Experim en ts) , 有关的指南 可从 http: / /www. m ged. org / index. h tm l下载 [ 25] 。
谱等可以帮助研究者更好地认识环境 - 基因交互作 用在疾病发生中的作用。目前, 毒理基因组学整合 了多个研究领域的信息, 包括利用微阵列技术进行 基因组规模的转录表达谱分析, 细胞或组织范围的 蛋白表达谱分析, 遗传多态性分析, 以及相关的生物 信息学分析和计算机模型的建立等。毒理基因组学 主要研究基因表达与环境相关疾病的关系, 探讨环 境因素产生的毒理学效应以及细胞调控网络与基因 和接触剂量的关系, 通过毒理信息相关数据库的建 立, 将毒理学、病理学与基因表达谱、蛋白质组学及 单核苷酸多态性 SNP 分析有机结合起来, 筛选有效 的生物标志物, 达到提高预防疾病水平的目的, 以及 对致癌物质进行分类 [ 2] 。
Application of bioinform atics in the research of toxicogenom ics
L I H ong, WANG Chong jun*
( Chongqing technology and busine ss universi ty, col lege of environmen ta l and biolog ical eng in eering, Ch ong qing 400067, Ch ina ) Abstrac t: Tox icogenom ics m a inly study the response o f hum an body to the env ironm enta l e lem en ts, and understand the e ffect of geneenv ironm ent in terac tion to the d isease in m o lecular leve.l The com bination o f b io info rm atics and tox icog enom ics m ay deve lop a new m ethod fo r the study o f env ironm ent and hea lth. Th is paper reviewed the research approach, m eaning( sign ifcance) and cha llenge, the
人类基因组计划主要是对人类基因组 30亿个 碱基测序, 这有助于了解包括肿瘤在内的各种人类 疾病的分子机理 [ 1] 。分子生物学, 特别是分子遗传 学的蓬勃发展使人们认识到基因改变可以导致人类 遗传性疾病的发生, 从而认识到环境因素对人类疾 病发生的作用。 2001年美国 N IEH S 启动了毒理基 因组学协作研究计划, 其目的是研究人体基因组对 接触的环境有害因素作出的反应, 即效应基因的应 答, 揭示环境因素引发疾病的分子机制。
第 4期
李宏, 等: 生物信息学在毒理基因组学研究中的应用
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伤不同阶段的特征性基因表达谱, 认识毒作用的分 子机制 [ 6] 。最近 发展起来的海藻酸盐 凝胶生物芯 片可用于实时监控活细胞内核酸和蛋白质的合成, 从而为研究环境化学因素对细胞的毒性作用的分子 机制提供了一种有效的工具。后基因组时代发展起 来的一些新方法如表面增强的激光解吸 质谱 ( sur face enhanced laser desorption m assspectrom e try) 和抗 体阵列 [ 7- 11 ] , 对进一步解析基因功能和筛选毒性相 关的生物标志物起到了促进作用, 成为毒理基因组 学研Baidu Nhomakorabea的生力军。M aria和 Jean等 ( 2003) 报道的互 补金属氧化硅抗体芯片 ( Com p lem en tary M e tal Ox ide S ilicon, CMOS an tibody b ioch ip) 具有重复性好, 成本 低廉的优 点, 与采 用商 业化 的 CCD 分析 系统, 如 Santa Barbara Instrum ent Group, m odel ST - 6等进行 比较具有相同的敏感度 [ 11] 。
2 研究的意义及面临的挑战
近年来逐渐发展起来的的各种 组学 技术与 生物信息学及传统毒理学相互结合, 形成了系统毒 理学 ( system s tox ico logy ) 这 一 全 新 的 学 科。 2003 年, 美国国家毒理基因组学研究中心 ( NCT ) 开发出 第 1个毒理基因组学智能 库, 即 生物学系统的化 学效应 ( CEBS) 智能库, 并为系统毒理学的研究提 供了信息平台。并有希望揭示毒物对机体的遗传损 伤和致癌的分子机制, 为疾病的预防和治疗提供参 考信息。
毒理基因组学将 改变化学物质危 险性评价方 法, 利用动物模型进行危险性评价, 是实现化学品毒 性快速评价的有效途径。如 Stefan 等 [ 12] 提出的斑 马鱼胚胎用于危险度评价的模型, H a jim e等 [ 13] 报道 了甲壳动 物转录 组作 为生 态毒 理学 工具, N ad ine 等 [ 14] 报道了应用高通量 FT - ICR 质谱代谢组学方 法, 以水蚤 D aphnia m agna 为材料进行毒性试验的 新方法, 尽管非模式生物基因组信息有限, 但对不同 生物的毒理基因组学的应用, 将成为评价化合物对 生态系统影响的有力工具 [ 15 - 17] 。
图 1 毒理基因组学和传统毒理学的比较 ( 引自文献 [ 25] , T in O o K hor, 2006)
F ig. 1 The com paris ion of toxicogenom ics and class ical toxicology
3 生物信息学在毒理基因组学研究中 的作用
随着毒理基因组学研 究的逐渐深入, cDNA 微 阵列、DNA 芯片、微流控芯片 [ 26] 、分子指纹图谱 [ 27]
人类基因组计划带动了一些高通量的实验技术 如 mRNA和蛋白质微阵列的应用, 这些技术迅速成 为毒理基因组学研究的分析工具, 促进了该领域的 研究和发展 [ 3- 5] 。微阵列数据分析不仅可以了解基
因组对环境诱导因素的反应, 而且可以通过毒性损
收稿日期: 2009 - 08- 26; 修回日期: 2010- 04- 10. 基金项目: 广州市科技计划项目 ( 2006z1- 10061) 。 作者简介: 李宏, 男, 重庆市人, 副研究员, 从事遗传学及生物技术研究。 Em ai:l lhctbu@ 163. com. * 通讯作者: 王崇均, 男, 重庆市人, 研究生学历, 化学与生物技术中心实验室主任, 从事生物技术教学和研究.
基因表达图谱可以用作接触的生物标志物, 应 用于人类对环境有毒化合物的接触评价中。同时可 通过基因表达谱对化学物的毒性作用进行分类和分 级, 并确定危害人体健康的阈浓度 [ 22] 。
毒物所特有的分子标志物或基因指纹 ( fingerp r in ts)是 阐明 毒作 用机 制和 预测 新 化合 物 毒性 的 关 键。单基因的检测方法其分析能力有限, 因此, 对毒 作用 基因 指纹 的识 别只有高 通量、平行检测 的 DNA 微阵列技术才有可能。
1 毒理基因组学及其研究手段
毒理基因组学 ( tox icogenom ics) 是一门 由毒理 学与基因组学相互交融而产生的新兴学科, 其目的 是运用基因组资源及技术探索并研究潜在的威胁人 类健康或环境质量的毒物。毒理基因组学是在基因 组水平上研究个体基因如何对环境因 子素作出应 答, 特别是一些生物信息, 如 mRNA 和蛋白质表达
action o f bio inform atics in the study of tox icog enom ics, the ex isting problem and pro spect. K ey W ords: b io inform atics; tox ico logy; g enom e; b ioma rker
基因敲出小鼠模型也用于毒理学研究, Yax iong X等研究了砷对 m dr敲出小鼠的影响, 发现与正常 小鼠相比较, 肝部有较高 的砷积累, LPO 也增加, 并且有更明显的肝损伤。几个与致癌 性有关的基 因, 如 cyclin D1, PCNA 和 c- m yc, 都有较高的表达
水平 [ 18] 。G onsebatt等 [ 19] 报道了砷引起肝细胞株的 细胞角蛋白 ( Cytokerat ins, CK) 表达水平提高。
33 2
生物信息学
第 8卷
和 SAGE分析等都将产生高通量、大规模的基因组 信息, 没有功能强大的软件是不可能处理这些海量 数据的。生物信息学技术正好能满足这种需求, 它 以庞大的数据库作为支持, 并从中分析挖掘基因组 序列中代表蛋白质和 RNA 基因的编码区, 归纳、整 理与基因组遗传信息表达及其调控相关的转录谱和 蛋白质谱数据。现在已有各种从简单分析到复杂处 理的软件, 如 E isen C luster ing T oo l ( Stanford U niver sity) , Gene- Spring ( Silicon Genetics) , SIMCA - P ( Um etrics)以及 Rosetta Reso lver ( M erck) , 每种软件 都提供了两种以上的分析方法, 可供科学家选择。
动物模型研究证实应用微阵列可以确定特殊化 学物质产生的特征基因表达谱 [ 23- 24] , 通过比较未知 化学与具有相同生物学作用终点的已知化学物质的 相关基因表达谱, 预测未知化学物质的毒性。微阵 列特征基因表达谱可用来提前预测一种新药、新农 药的潜在不良作用, 为预防药物的毒性作用提供有 价值的信息。
第 8卷 第 4期 2 0 1 0年 1 2月
生物信息学 Ch ina Journa l o f B io inform at ics
Vol 8 No 4 Dec. , 2010
生物信息学在毒理基因组学研究中的应用
李宏, 王崇均*
( 重庆工商大学环境与生物工程学院, 重庆 400067 )
摘要: 毒理基因组学主要在基因组水平上研究机体对环 境因子 的应答 反应, 了解基 因和环 境交互 作用在疾 病发生 中的作 用。 生物信息学与毒理基 因组学研究的结合为环境与健康研 究开辟 了新的方 法。本文 对毒理基 因组学 的研究 手段、意义 及面临 的挑战, 生物信息学在毒理基因组学研究中的作用以及存在的问题和展 望进行了综述。 关键词: 生物信息学; 毒理学; 基因组; 生 物标志物 中图分类号: Q 1 文献标识码: A 文章编号: 1672- 5565( 2010) - 04- 330- 04
开发生物学智能库需要一个全新的数据处理、 数据整合和计算机模拟的模型。该模型必须准确反 映网络水平上分子表达和系统水平上的生物学效应 之间的关联。还需要整合众多毒理基因组学的研究 数据, 形成一个跨基因、跨物种的综合 性信息数据 库。这些数据库收集的信息并非原始的数据, 而是 经过处理的有一定生物学意义的研究结果。通过化 学物的结构、应激原的类型、基因、蛋白质、代谢物分 子标签或表型变化进行数据库信息查询, 来研究受 试物质的毒理学效应。综合的基因表达数据库和用 于数据分析的软件对毒理基因组数据的解析有重要 的作用。一些公司, 如 GeneL og ic、CuraGen、Icon ix 和 Phase I虽为药物公司提供了商业的毒理基因组数 据库, 但不对外公开。 1999年, 经 H SE I( H ealth and Env ironm en tal Sciences Inst itute) 与学术、政府和工业 代表协会的合作, 组建了针对基因组数据使用的委 员会, 并与 EB I( European B io inform atics Inst itute) 一 起开创了毒理基因组数据公开使用的先例, 提出了 有关微阵列实验的信息标准 ( M IAME, M in im a l In fo rm ation abou tM icroarray Experim en ts) , 有关的指南 可从 http: / /www. m ged. org / index. h tm l下载 [ 25] 。
谱等可以帮助研究者更好地认识环境 - 基因交互作 用在疾病发生中的作用。目前, 毒理基因组学整合 了多个研究领域的信息, 包括利用微阵列技术进行 基因组规模的转录表达谱分析, 细胞或组织范围的 蛋白表达谱分析, 遗传多态性分析, 以及相关的生物 信息学分析和计算机模型的建立等。毒理基因组学 主要研究基因表达与环境相关疾病的关系, 探讨环 境因素产生的毒理学效应以及细胞调控网络与基因 和接触剂量的关系, 通过毒理信息相关数据库的建 立, 将毒理学、病理学与基因表达谱、蛋白质组学及 单核苷酸多态性 SNP 分析有机结合起来, 筛选有效 的生物标志物, 达到提高预防疾病水平的目的, 以及 对致癌物质进行分类 [ 2] 。
Application of bioinform atics in the research of toxicogenom ics
L I H ong, WANG Chong jun*
( Chongqing technology and busine ss universi ty, col lege of environmen ta l and biolog ical eng in eering, Ch ong qing 400067, Ch ina ) Abstrac t: Tox icogenom ics m a inly study the response o f hum an body to the env ironm enta l e lem en ts, and understand the e ffect of geneenv ironm ent in terac tion to the d isease in m o lecular leve.l The com bination o f b io info rm atics and tox icog enom ics m ay deve lop a new m ethod fo r the study o f env ironm ent and hea lth. Th is paper reviewed the research approach, m eaning( sign ifcance) and cha llenge, the
人类基因组计划主要是对人类基因组 30亿个 碱基测序, 这有助于了解包括肿瘤在内的各种人类 疾病的分子机理 [ 1] 。分子生物学, 特别是分子遗传 学的蓬勃发展使人们认识到基因改变可以导致人类 遗传性疾病的发生, 从而认识到环境因素对人类疾 病发生的作用。 2001年美国 N IEH S 启动了毒理基 因组学协作研究计划, 其目的是研究人体基因组对 接触的环境有害因素作出的反应, 即效应基因的应 答, 揭示环境因素引发疾病的分子机制。
第 4期
李宏, 等: 生物信息学在毒理基因组学研究中的应用
331
伤不同阶段的特征性基因表达谱, 认识毒作用的分 子机制 [ 6] 。最近 发展起来的海藻酸盐 凝胶生物芯 片可用于实时监控活细胞内核酸和蛋白质的合成, 从而为研究环境化学因素对细胞的毒性作用的分子 机制提供了一种有效的工具。后基因组时代发展起 来的一些新方法如表面增强的激光解吸 质谱 ( sur face enhanced laser desorption m assspectrom e try) 和抗 体阵列 [ 7- 11 ] , 对进一步解析基因功能和筛选毒性相 关的生物标志物起到了促进作用, 成为毒理基因组 学研Baidu Nhomakorabea的生力军。M aria和 Jean等 ( 2003) 报道的互 补金属氧化硅抗体芯片 ( Com p lem en tary M e tal Ox ide S ilicon, CMOS an tibody b ioch ip) 具有重复性好, 成本 低廉的优 点, 与采 用商 业化 的 CCD 分析 系统, 如 Santa Barbara Instrum ent Group, m odel ST - 6等进行 比较具有相同的敏感度 [ 11] 。
2 研究的意义及面临的挑战
近年来逐渐发展起来的的各种 组学 技术与 生物信息学及传统毒理学相互结合, 形成了系统毒 理学 ( system s tox ico logy ) 这 一 全 新 的 学 科。 2003 年, 美国国家毒理基因组学研究中心 ( NCT ) 开发出 第 1个毒理基因组学智能 库, 即 生物学系统的化 学效应 ( CEBS) 智能库, 并为系统毒理学的研究提 供了信息平台。并有希望揭示毒物对机体的遗传损 伤和致癌的分子机制, 为疾病的预防和治疗提供参 考信息。
毒理基因组学将 改变化学物质危 险性评价方 法, 利用动物模型进行危险性评价, 是实现化学品毒 性快速评价的有效途径。如 Stefan 等 [ 12] 提出的斑 马鱼胚胎用于危险度评价的模型, H a jim e等 [ 13] 报道 了甲壳动 物转录 组作 为生 态毒 理学 工具, N ad ine 等 [ 14] 报道了应用高通量 FT - ICR 质谱代谢组学方 法, 以水蚤 D aphnia m agna 为材料进行毒性试验的 新方法, 尽管非模式生物基因组信息有限, 但对不同 生物的毒理基因组学的应用, 将成为评价化合物对 生态系统影响的有力工具 [ 15 - 17] 。
图 1 毒理基因组学和传统毒理学的比较 ( 引自文献 [ 25] , T in O o K hor, 2006)
F ig. 1 The com paris ion of toxicogenom ics and class ical toxicology
3 生物信息学在毒理基因组学研究中 的作用
随着毒理基因组学研 究的逐渐深入, cDNA 微 阵列、DNA 芯片、微流控芯片 [ 26] 、分子指纹图谱 [ 27]
人类基因组计划带动了一些高通量的实验技术 如 mRNA和蛋白质微阵列的应用, 这些技术迅速成 为毒理基因组学研究的分析工具, 促进了该领域的 研究和发展 [ 3- 5] 。微阵列数据分析不仅可以了解基
因组对环境诱导因素的反应, 而且可以通过毒性损
收稿日期: 2009 - 08- 26; 修回日期: 2010- 04- 10. 基金项目: 广州市科技计划项目 ( 2006z1- 10061) 。 作者简介: 李宏, 男, 重庆市人, 副研究员, 从事遗传学及生物技术研究。 Em ai:l lhctbu@ 163. com. * 通讯作者: 王崇均, 男, 重庆市人, 研究生学历, 化学与生物技术中心实验室主任, 从事生物技术教学和研究.
基因表达图谱可以用作接触的生物标志物, 应 用于人类对环境有毒化合物的接触评价中。同时可 通过基因表达谱对化学物的毒性作用进行分类和分 级, 并确定危害人体健康的阈浓度 [ 22] 。
毒物所特有的分子标志物或基因指纹 ( fingerp r in ts)是 阐明 毒作 用机 制和 预测 新 化合 物 毒性 的 关 键。单基因的检测方法其分析能力有限, 因此, 对毒 作用 基因 指纹 的识 别只有高 通量、平行检测 的 DNA 微阵列技术才有可能。