生物信息学在中药研究中的应用

白羽　赵文秀　徐广宇

摘要 通过查阅文献，讨论近年生物信息学在中药资源研究、中药材鉴别及中药功能基因筛选方面的应用，希望生物信息学与其他学科的结合为中药的发展带来契机。

关键词 生物信息学；中药；中药材鉴别

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）08-0046-02

中药是中华民族的瑰宝，历史悠久，已经延续了2000多年。但是在新时代的今天，中药却不能被国际市场接受，主要是因为中药的靶点、治疗机理不清，缺乏合适的质量和药效评价体系。中药现代化就是使中药与国际社会接轨，而接轨成功与否就在于中药的作用机理是否明确。

生物信息学简单来说就是将分子生物学与计算机信息学结合在一起的新的交叉学科，即通过计算机编程对基因组、转录组、蛋白质组的相关信息进行综合处理的一门学科。如今，生物信息学在很多方面都有广泛的应用，尤其在中医药方面的应用比较多。如预测中药治疗疾病机制研究、中药抑制癌细胞转移程度或预测临床疗效等。因此，将生物信息学应用在中药的作用机理研究方面，对中药现代化具有重要的意义。本文通过查阅文献，主要讨论近年生物信息学在中药资源研究、中药材鉴别及中药功能基因筛选方面的应用，希望生物信息学与其他学科的结合能够为中药的发展带来契机。

1 生物信息学在中药资源研究中的应用

随着世界经济一体化进程的加快，人们生活水平不断提高，副作用小的药品以及使用中药进行养生保健等越来越被人们所需求，同时中药的需求量逐年加大，甚至供不应求，进行中药资源全面研究已经迫在眉睫。近年来，生物信息学在中药资源研究中的应用有所发展，所用的技术也在不断增加。

生物云计算 生物云计算是大规模存储和高性能计算的集合体，是实现超大规模生物信息学计算的核心内容，在处理大型数据、移动数据等方面可以达到简化的效果。近年来，生物云计算平台的搭建也有相关的报道，如基于水稻功能组学研究的TTRSIS的建设和基于植物科学IPlantAtmosphere的提出。中药资源的研究也面临海量数据的挑战，将生物信息学的云计算手段运用到中药资源研究中已经是必然趋势。

基因组比较 基因组比较称为比较基因组学。自古以来，药用植物种类繁多，在这些药用植物中有很多都具有较近的亲缘关系，如人参和三七都是五加科植物，但药效不同。还有的就是同一种药用植物生长在不同的地域会出现药效差异很大的现象，道地药材与普通药材的差别就能充分说明这一点。这些差异可以通过它们之间的基因组序列比较、得到进化关系等信息来解释。通过对同一物种的不同个体进行基因组比较，可以发现它们之间的差异，很有可能这些差异就是造成中药药效差异的遗传基础。

2 生物信息学在中药材鉴别中的应用

在中药材的鉴定中一直沿用四种鉴定方法，即来源鉴定、性状鉴定、理化鉴定、显微鉴定。随着后基因组的到来，生物信息学也被用于中药材的鉴定当中。

生物芯片技术 生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其他生物组分的微点阵，具有大数据、快速化、自动化的特点。它已经在水稻、玉米、大豆等农作物中有很多应用。目前，已经开发出很多新的芯片技术在中药鉴定研究中都有应用，如质子束直写技术、数字微流控芯片、三维生物芯片、一次性的塑料生物芯片等。这些技术在中药序列分析鉴别中的应用越来越受到人们的重视，其中运用生物芯片技术鉴定中药贝母取得良好的效果。

川贝母由于镇咳祛痰的效果显著、副作用小、价格昂贵，伪品屡见不鲜。已经有学者对川贝母、浙贝母、皖贝母和湖北贝母等四种主要贝母品种的5SrRNA序列进行分析，发现川贝母有一种特异性的碱基序列CTTTTGTCGCATCA，以此序列作为探针，制成芯片，将待测样品提取DNA并经扩增和荧光标记后与芯片上探针进行杂交，通过荧光检测即可准确鉴定出川贝母。

DNA条形码 条形码在日常生活中是很常见的，它为人们的生活提供了便利。但是，对DNA条形码很多人还不是太熟悉。中药DNA条形码技术的原理是对中药材基因组中的特定基因进行片段扩增，然后测序，发现其碱基变化的规律。有学者通过大样本量系统研究发现，ITS2作为药用植物标准DNA条形码，psbA-trnH作为ITS2的补充序列。如今已经建立全世界第一个针对中药材的DNA条形码数据库（Medicinal Materials DNA Barcode Database），提供药材的基本数据和相片，对中药材的分子鉴定很有参考价值。在鉴定中药材时常用的数据库是NCBI的Nucleotide数据库、欧洲生物信息学研究所（EBI）的EMBL-DNA数据库和日本DNA数据库（DDB3），其中NCBI是最常用的。

系统发育树 系统发育树也称系统进化树，是基于分子数据差异（不同的基因或DNA片段它们之间存在的进化速率差异）来研究物种的形成或进化过程和机制，以及物种之间的进化关系的一门学科。它是生物信息学的一个重要分支。随着基因数据的海量增长，系统发育树的应用越来越流行。基于分子的进化研究已经应用到许多方面，如基因进化、确定亲缘关系、对蛋白质结构进行预测、寻找未知基因的功能等。在中药材鉴别中，可以找到不同种群间的系统发育关系，也可以找到相同种群的不同药材的系统发育关系。世界上所有的物种均来自于同一个祖先，所以任何两个物种都具有相关关系，只不过它们经过时间的洗礼，变异会造成物种的灭亡和分离。灭亡和分离是在特定的时间段发生的，物种的进化就如一棵树，树杈都是进化来的，通过系统发育树可以找到物种的异同。因此，它对中药材易混品种的鉴别极其有效，人们已经在进行这方面的研究。

3 生物信息学在中药功能基因筛选中的应用

中药功能基因的筛选有助于更进一步了解疾病的产生过程和作用机制，以及对疾病的预防、治疗和诊断奠定基础。近些年，通过中药功能基因的筛选来确定基因能否可以成为药物的靶点或直接作为药物应用逐年流行起来。

SAGE技术 SAGE（system analysis of genes express，基因表达系统分析技术），可以用于检测DNA芯片不能检测的基因，不必考虑检测基因是已知的还是未知的；可以用来分析一个细胞的全部转录本信息，也可以用于基因的定性和定量分析。SAGE技术在医学、药学、生物学方面都有广泛的应用，但是在中药功能基因筛选方面的应用还是比较少的。

EST技术 EST（Expressed Sequence Tag，表达序列标签）技术最早应用于寻找人类新基因、绘制人类基因组图谱等领域。目前，也有学者利用EST技术创建中药药用植物数据库，如建立长春花叶子和根尖的cDNA文库，对于长春花的转录分析和功能基因发现提供了很好的资源。还利用EST建立了很多种类植物的基因数据库，比如人参、甘草等。因此，利用EST技术建立中药药用植物基因数据库，对中药药用植物功能基因的筛选和利用创造了有利条件。

4 展望

中药是先辈留下的一笔无价的财富，是我国人民长期同疾病作斗争的极为丰富的经验总结，对于中华民族的繁荣昌盛有着巨大的贡献。它从《神农本草经》开始，经历了很长的一段辉煌的时期，但是在我国经历的将近一个世纪的不稳定局势之中，中药的发展趋于停滞状态，这也是让人汗颜的地方。近些年人们生活水平提高了，国内外对中药都重视起来，这是发展中药的最佳时机。生物信息学与其他学科的结合，将会为中药的发展带来契机，随着中外医药交流更加频繁、深入和广泛，中药事业必能继往开来，取得更加辉煌的成就。