表观遗传学和代谢组学在中药研究中的应用.docx

《表观遗传学和代谢组学在中药研究中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表观遗传学和代谢组学在中药研究中的应用.docx（17页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、摘要：中药具有多组分、多靶点、多途径的作用特色和复杂性，使得中药现代化研究任务艰巨，许多医药研究工作者为此而不懈努力。系统生物学和组学的发展，为中药与现代科学融合迎来了契机。特别是表观遗传学和代谢组学整体性、动态性、个体化以及与环境相互作用的特点与中医药作用理念相契合。主要对表观遗传学研究较为热门的DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA调控在中药研究中的应用，以及代谢组学在中药药效物质基础、质量控制、药效作用机制等方面的应用进行了综述，提出了二者结合创新应用在微观层面阐明中药整体作用机制及多组分、多途径、多靶点协同作用机制的思路，为中医药核心思想科学内涵研究探索新的研究模式。随着人类疾病谱的变化

2、和生命科学的深入发展，医学界已逐渐认识到单因素、单靶点治疗模式存在的局限，特别是难以应对病理机制复杂的疾病，而中药多组分、多靶点、整体调节、协同作用的作用特点，使其在治疗复杂疾病方面表现出独特的优势，同时也因为中药物质基础和作用机制的复杂性，使得中药现代化进程面临困难。表观遗传学和代谢组学是20世纪40年代和90年代发展起来的2门新兴学科，其整体性、动态性、个体化以及与环境的相互作用的特点与中医药作用理念具有高度一致性1-2,不仅为中医药与现代科学的融合迎来了契机，也为阐明中药作用特点的科学内涵提供了新思路和新方法。1表观遗传学在中药研究中的应用1.1 表观遗传学概述1942年，Wadding

3、tOn首次把DNA序列不改变，表型或基因表达发生可遗传变化的现象称之为表观遗传学。Bird于2007年提出在后基因组学的表观遗传学时代，从表观遗传学的角度来防治疾病是当前研究的主要方向。应用表观遗传学方法，不但可以充分了解和研究人类各种疾病的发病机制，而且可以发现和寻找到疾病发生的预警和防治靶分子，在疾病的诊断和防治中发挥重大作用5。生物体是由遗传信息和表观遗传信息共同作用的结果。整个基因组通过核昔酸精确地复制、转录和翻译，保持遗传信息的稳定性和连续性；表观遗传学体现的是基因调控功能，即基因受内外环境等因素的影响，在DNA核甘酸序列不发生变化的情况下，基因表达水平发生可逆、可遗传的改变，主要包

4、括DNA甲基化、组蛋白修饰和MiCrORNAS(miRNA)调控等6。研究表明中药多组分、多靶点、多途径的作用特点有可能是通过调控或恢复基因表达平衡，从而达到恢复机体正气和阴阳平衡，利用表观遗传学有可能在分子水平揭示中药整体作用与多组分协同作用机制的本质与科学内涵。因此，近几年表观遗传学在中药研究中的应用日渐引起关注。1.2 DNA甲基化与中药研究DNA甲基化是在甲基转移酶(DNA-methyItransferase,DNMT)的催化下，DNA的CpG二核甘酸的胞喀咤选择性地结合甲基，形成5-甲基胞喀咤7。研究表明DNA甲基化紊乱是众多疾病、特别是病机复杂疾病如免疫性疾病、病毒性疾病、代谢异常

5、疾病、心脑血管疾病、癌症等的共有模式，针对异常DNA甲基化双向调控的治疗研究日渐成为防治复杂疾病的重要策略，这与中药调控作用理念也不谋而合8-10。目前大部分中药调节DNA甲基化研窕集中在探讨中药单体成分和中药复方对全基因组和异常基因甲基化状态的调节。主要通过调控DNMT水平、调节相关信号通路、调控相关蛋白等发挥调节甲基化状态的作用。如前期研窕比较多的姜黄素、丹参酮HA、雷公藤内酯醇、雷公藤甲素、苦参碱、天花粉蛋白等中药单体成分和参茸补血丸、青黄散、消痰散结方等中药复方。中药调控DNA甲基化的应用实例见表1。表1中药调控D、A甲基化的应用实例Table1.Applicationexamples

6、ofrrAdiriona!ChinesemedicineinregulatingDNAmethyhcion研般J象作用描逑MXP,1要黄素通过DNA脱甲基作用恢复TRAMP-Cl细胞中表观遗传学上沉默的Nrf2基因以及其他潜在基因，济导NtC介导的抗氧化应激细胞防御途检来达到侦防前列朦癌的作用姜黄素【党姜黄素可以诱导急性1细胞样白血病细胞的DNA去甲基化,其机制可他是DNMTl水平的降低并伴Ipl5基因后动子的低甲基化要黄黄口”要黄素可以降低CNE-I细胞RECK基因启动f,仝基因维和细胞核内甲基化水平丹参JHIiAM丹参用IlA可以降低肝BHepG2骄电DGm水平,调整甲基化状态，从而起列抗

7、肿相作用丹参制HA。9丹参酗11不仅可以降低小鼠皮肤表皮JB6细胞DNMTR6JMT3a、DNMT3b和HDAC3的蛋白质水平.抑制HDAC的睥活性，还可以激活即信号通路外诱导Nri2基因CPG岛的去甲基化布公1内幽静。同南公Il内渐解通过语身MolM细胞异常甲基化的P15基因去甲基化.从而使pl5基因恢复表达,起到抑制细胞增殖的作用雷公甲素功南公藤甲素通过抑制H1.-60细胞DNNfTl和DNMr3b基因表达未上响DAPK-I基因的甲基化水平，从而激活某些信号通路诱导细胞凋亡苦金编【呵苦参吸处理K562细胞石.基因组整体甲基化水平基本无变化.(HRIZl基因用功手发生夫甲基化反应.使RIZl

8、mRNA表达水平明显H高大花黝蛋白大花粉蛋臼镌导He1.a和CaSia细施APC和TS1.C】基因CPG岛去甲基化，并恢复/它的布宫颈鹿细感系中的mRNA和冬白质水平上的表送参建补H儿网参白补名丸通过抑制DNMT的活力.降低DNA甲基化水平,使受损机体肝、肾组织低甲基化,从而促迸生脑器官发自或提高组织修复一黄黄青黄散能够抑制DNMn的表达，减轻DNA甲基化程度.从而政善患者外病血象并起到治疗作用消痍散得方t词消使散结方葩够影响囿施细阳系MKN45、BGC823细胞抑卷基因pl6的表达，减低KMl基化水乎.增加pl6基因的mRNA表述而让到抑制肿瘤生长的作用中医理论认为阴阳处于不断运动变化中，临

9、床上通过平衡阴阳以达到“阴阳自和”是中医治疗疾病的最终目标。而DNA的甲基化与去甲基化也处于动态变化中，DNA甲基化本身的特点与中医的特色理论有着一种天然而隐约的联系2引。对此，有学者提出现有的研究和进一步的研究将证明中医阴阳的生物学根本基础可能就在于DNA高甲基化与低甲基化10。如周庆兵课题组利用甲基化免疫共沉淀联合测序的方法，分别研究了桅子川萼胶囊对兔动脉粥样硬化模型和桅子昔对RAW264.7细胞DNA异常甲基化的影响24-25。研究发现桅子川萼胶囊和桅子昔不仅能促甲基化，同时还能去甲基化，即通过双向调控异常基因的甲基化来治疗动脉粥样硬化，这可能与其调节蛋白激酶C的活性、炎症信号通路和MA

10、PK信号通路等有关。因此研究中药通过双向调节异常基因甲基化水平达到治疗疾病的作用可能是下一步作用机制研究的重点。1.3 组蛋白修饰与中药研究组蛋白修饰(histonemodification)是指在相关酶的作用下，组蛋白发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺甘酸化、泛素化、ADP核糖基化等过程。较之于DNA甲基化的稳定性，组蛋白修饰较为动态，并与DNA甲基化相互影响发挥调控功能26。Hsieh等27通过访问两个公共中药数据库、NCBI分类学数据库和公共化学-蛋白质相互作用数据库，发现3294种中药中有1170种与人组蛋白修饰酶发生相互作用，中药复方的协同作用主要是通过同时抑制DNMT和HDAC,共同抑

11、制组蛋白乙酰化和H3S10磷酸化或共同抑制H3K4脱甲基和H3K36脱甲基。Nardi等28研究发现雷公藤甲素诱导肺癌细胞凋亡与组蛋白3(H3)的整体表观遗传学变化有关，主要通过上调Wnt抑制因子的蛋白质表达。但雷公藤甲素对所有5个Wnt抑制因子的启动子区域中的任何CpG岛上的DNA甲基化状态均无影响。1.U等29研究发现中药制剂今复康给药肺癌细胞后，多个基因的H3K4Me3修饰状态显著改变，并提出了SUSD2、CCND2、BC1.2Al和TMEM158可能是今复康治疗肺癌的潜在靶标，其研究结果表明今复康可能通过对肺癌多个基因位点的组蛋白修饰的调节发挥抗癌活性。Sun等30研窕发现蛇床子素可以

12、上调组蛋白乙酰化酶，特异性催化H3K9、H3K14的乙酰化，改善细胞层和牙周炎组织层骨的形成，结果表明蛇床子素是一种通过调节细胞表层工程中的表观遗传修饰来治愈牙周炎的有前途的药物。1.4 miRNA调控与中药研究miRNA是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA,其大小为2025个核昔酸，与各种疾病的关系及潜在的诊断治疗价值逐渐引起人们的重视，中药对miRNA的调控也逐渐成为研究热点31。赖小华等32研究发现三七皂昔Rl有较好的延缓血管内皮细胞衰老的效果,其机制可能是通过调控miRNA-34aSIRTlp53通路延缓了血管内皮细胞衰老的进程，即三七皂昔Rl通过降低细胞内miR

13、NA-34a的表达，增强SIRTl表达，降低肿瘤抑制蛋白p53的乙酰化程度，减弱p53激活下游衰老相关靶基因转录的活性。研究表明雷公藤多昔可以降低类风湿关节炎患者的miRNA-146a水平，改善类风湿关节炎患者的临床症状3引。雷公藤多昔还可以下调单侧输尿管结扎（UUO）幼年大鼠肾脏miRNA-192、1型胶原的表达，减少细胞外基质沉积，改善肾间质纤维化34。Wu等35研究发现从甲鱼中提取到的甲壳肽处理AGS细胞后，有IOl个miRNA（49个上调的miRNA和52个下调的miRNA）显著差异表达，miRNA-375、let-7d、miRNA-429、miRNA-148a148b和miRNA-3

14、4a等几种抑制肿瘤的miRNA显著上调，从而影响癌症相关途径进而达到治疗癌症的效果。2代谢组学在中药研究中的应用2.1 代谢组学概述1985年，NiCholSOn研究小组利用核磁共振（NMR）法，通过对大鼠的尿液代谢物进行分析，发现与其病理的变化存在关联，于1999年提出代谢组学概念I36o虽然代谢组学是一个新兴的学科，但其技术和研究思路已经被广泛应用于药物研发、中医药、农业、营养学、毒理学、微生物等与人类健康密切相关的领域37。它是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后系统生物学的又一重要分支I38o代谢组学通过对内源性小分子代谢物的整体性、系统性分析，获得反映机体功能状态的代谢指纹特征和代谢网

15、络，揭示机体生命活动代谢本质以及机体微环境的状态。其“整体-动态-综合-分析”的研究思路与中医药整体观不谋而合39o近年来，代谢组学应用于中药物质基础研究、中药质量标准研究以及中药药效作用机制研究成为热门，为中药现代化瓶颈问题的解决提供了有力帮助。2.2 代谢组学在中药药效物质基础方面的应用阐明中药药效物质基础是中药现代化的关键问题之一，也是中药研究的难点和热点40。用传统研究化学成分的方法研究起来费时、费力，且不能体现其整体性作用特点，利用代谢组学的技术和方法，在中医药理论指导下多角度、多层次系统的研究中药及其复方，揭示中药及其复方产生药效的物质基础，为中药现代化研究提供了新的思路41。1.

16、iu等42利用UhplC-ESI-Q-TOF-MS技术对防己黄芭汤进行了系统的研究，共鉴定出了17种指示肾病综合征的生物标志物，并筛选出多种用于治疗肾病综合征的活性成分，一定程度上阐明了防己黄苗汤的药效物质基础。Wang等43利用代谢组学的方法对芍药甘草汤进行研究，从大鼠血浆中共鉴定出12种化合物，包括9种原型成分，2种代谢物和C9H10O3,这些化合物可能是芍药甘草汤治疗痛经的物质基础。Cao等44利用UplC-ESI-Q-TOF-MS技术对温心方研究发现，口服给药大鼠后，其血浆中共检测到32种化学成分，包括26种原型成分和6种代谢产物。Cao等45利用IH-NMR的代谢组学方法对脑振宁颗粒进行了研究，发现脑振宁颗粒的治疗作用与18种脑代谢产物的调节有关