表观遗传学的概念
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇表观遗传学的概念范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
表观遗传学的概念范文第1篇
在Watson和Crick发现DNA双螺旋结构后的50多年里，基因工程药物在治疗人类疾病中逐渐占据一席之地，人类基因组计划的完成为基因治疗开辟了更广阔的空间。近年来随着遗传学的新兴学科——表观遗传学在人类疾病治疗方面获得了越来越多的证据[1]。它从分子水平上揭示复杂的临床现象，为解开生命奥秘及征服疾病带来新希望。
表观遗传学是研究没有DNA序列变化的情况下，生物的表型发生了可遗传改变的一门学科[2]。表观遗传学即可遗传的基因组表观修饰，表观修饰包括：DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、X染色体失活、基因组印记、非编码RNA调控等[3]，任何一方面的异常都可能导致疾病，包括癌症、染色体不稳定综合征和智力迟钝[4]等。表观遗传的改变是可逆的，这就为治疗人类疾病提供了乐观的前景。本文从表观遗传学与人类疾病、环境与表观遗传学的关系以及表观遗传治疗3个方面进行综述。
1 表观遗传学修饰与人类疾病
1.1 DNA甲基化相关疾病
DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMTs)的催化下，将甲基基团转移到胞嘧啶碱基上的一种修饰方式。它主要发生在富含双核苷酸CpG岛的区域，在人类基因组中有近5万个CpG岛[5]。正常情况下CpG岛是以非甲基化形式(活跃形式)存在的，DNA甲基化可导致基因表达沉默。DNMTs的活性异常与疾病有密切的关系，例如位于染色体上的DNMT3B基因突变可导致ICF综合征。有报道[6]表明，重度女袭性牙周炎的发生与2条X染色体上TMP1基因去甲基化比例增高有关。DNMT基因的过量表达与精神分裂症和情绪障碍等精神疾病的发生也密切相关。风湿性疾病等自身免疫性疾病特别是系统性红斑狼疮(SLE)与DNA甲基化之间关系已经确定[7]，在SLE病人的T细胞发现DNMTs活性降低导致的异常低甲基化。启动子区的CpG岛过度甲基化使抑癌基因沉默，基因组总体甲基化水平降低导致一些在正常情况下受到抑制的基因如癌基因被激活[8]，都会导致细胞癌变。
1.2 组蛋白修饰相关疾病
组蛋白的修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化等，组成各种组蛋白密码。其中，研究最多的是乙酰化、甲基化。一般来说，组蛋白乙酰化标志着其处于转录活性状态;反之，组蛋白低乙酰化或去乙酰化表明处于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。乙酰化修饰需要乙酰化转移酶(HATs)和去乙酰化酶(HDACs)参与。组蛋白修饰酶异常可导致包括癌症在内的各种疾病，例如，H4K20的三甲基化是癌症中的一个普遍现象。甲基化CpG2结合蛋白2(MeCP2)可使组蛋白去乙酰化导致染色质浓缩而失活，其中Rett综合征就是MeCP2的突变所致。
1.3 染色质重塑相关疾病
染色质重塑是DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑复合物的共同作用。它通过影响核小体结构，为其他蛋白提供和DNA的结合位点[9]。其中染色质重塑因子复合物主要包括SWI/SNF复合物和ISW复合物。染色质重塑复合物如果发生突变，可导致染色质不能重塑，影响基因的正常表达，导致人类疾病。如果突变引起抑癌基因出现异常将导致癌症，例如：小儿科癌症中检测到SNF5的丢失。编码SWI/SNF复合物相关的ATP酶的基因ATRX、ERCC6、SMARCAL1的突变可导致B型Cockayne综合征、Schimke综合征甚至肿瘤。ATRX突变可引起DNA甲基化异常，从而导致数种遗传性的智力迟钝疾病如:X连锁α2地中海贫血综合征和SmithFinemanMyers综合征，这些疾病与核小体重新定位的异常引起的基因表达抑制有关[10]。
1.4 X染色体失活相关疾病
哺乳动物雌性个体不论有多少条X染色体，最终只能随机保留一条的活性。X染色体失活由X失活中心(Xic)调控，Xic调控X染色体失活特异性转录基因(Xist)的表达。X染色体的不对称失活可导致多种疾病，例如男性发病率较高的WiskottAldrich综合征是由于WASP基因突变所致。X染色体的PLP基因突变失活常导致PelizaeusMerzbacher病;X染色体的MeCP2基因突变失活导致Rett综合征[11]。在失活的X染色体中，有一部分基因因逃避失活而存在2个有活性的等位基因，使一些抑癌基因丧失功能，这是引发女性癌症的一个重要原因[12]。
1.5 基因组印记相关疾病
基因组印记是指二倍体细胞的一对等位基因(父本和母本)只有一个可以表达，另一个因表观遗传修饰而沉默。已知在人体中有80多种印记基因。印记丢失导致等位基因同时表达或有活性的等位基因突变，均可引起人类疾病。一些环境因素，如食物中的叶酸也会破坏印记。印记丢失不仅影响胚胎发育，并可诱发出生后的发育异常。如果抑癌基因中有活性的等位基因失活可导致癌症的发生，如IGF2基因印记丢失导致的Wilms瘤[13]。15号染色体的表观遗传异常可导致PraderWilli综合征(PWS)和Angelman综合征(AS)，PWS是由于突变导致父本表达的基因簇沉默，印记基因(如SNURF/SNRPN)在大脑中高表达所致;AS是由于母本表达的UBE3A或ATP10C基因的缺失或受到抑制所致。Beckwithweideman综合征(BWS)是11号染色体表观遗传突变引起印迹控制区域甲基化的丢失，导致基因印记丢失引起[14]。
1.6 非编码RNA介导相关疾病
功能性非编码RNA分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链RNA对染色质结构的改变起着重要的作用。短链RNA对外源的核酸序列有降解作用以保护自身的基因组。小干涉RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)都属于短链RNA，在人类细胞中小片段的siRNA也可以诱导基因沉默。miRNA能够促使与其序列同源的靶基因mRNA的降解或者抑制翻译，在发育的过程中起着关键性作用。转录的反义RNA可以导致基因的沉寂，引起多种疾病，如使地中海贫血病人的正常球蛋白基因发生甲基化。由于miRNA在肿瘤细胞中的表达显著下调，P53基因可通过调控miRNA34ac的表达治疗肿瘤。在细胞分裂时，短链RNA异常将导致细胞分裂异常，如果干细胞发生这种情况也可能导致癌症。
2 环境表观遗传学
对多基因复杂症状性疾病来说，单一的蛋白质编码基因研究远远不能解释疾病的发生机理，需要环境与外界因素的作用才会发病。疾病是外界因素与遗传因素共同作用的结果。流行病学研究已经证实，人类疾病与环境有明确的关系，高血压、中风、2型糖尿病、骨质疏松症等疾病的发病率与环境有着密切的关系[15]。特别是在发育初期，不利的环境、 营养的缺乏都有可能导致出生低体重、早产、胎儿发育不成熟等[16]。环境与DNA甲基化的关系一旦建立，将为环境射线暴露与癌症发生提供依据[17]。
环境污染等不利因素均有可能增加基因的不稳定性，每个人对环境和饮食的敏感性可因先天遗传不同而不同，环境因素与个体遗传共同作用，决定潜在表观遗传疾病的危险性。有人推测上述因素肯定会在我们基因组上遗留下微量的基因表遗传学痕迹[1]。随着年龄增长，DNA甲基化等化学修饰改变也在长时间中错误积累，这也有助于解释为什么很多疾病总是在人进入老年后才发生。由此可见，如果改变不良生活习惯、减少环境污染，都有可能降低表观遗传疾病的发病率。因此研究环境与表观遗传改变的关系对于预防和治疗人类疾病都有着重要的意义。
3 表观遗传学药物
人类许多疾病都可能具有表观遗传学的改变，表观遗传学治疗研究如火如荼。已经发现许多药物可以通过改变DNA甲基化模式或进行组蛋白的修饰等来治疗疾病。目前，很多药物处于研制阶段，尽管其有效性尚未得到充分证实，但给癌症、精神疾病以及其他复杂的疾病的治疗带来了希望。
3.1 组蛋白去乙酰化酶抑制剂
目前发现的组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDAC Inhibitor)有近百种。其中FK228主要作用机制是抑制肿瘤细胞内组蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性，引起乙酰化组蛋白的积聚，从而发挥抑制肿瘤细胞增殖、诱导细胞周期阻滞、促进细胞凋亡或分化等作用[18]。FK228单独用药或与其他药物或方法联合应用表现出良好的抗肿瘤作用，同时还可阻碍血管生成，具有抑制肿瘤转移、逆转耐药性、调节免疫力等作用。FK228还具有治疗炎症、免疫性疾病、视网膜新生血管疾病及神经系统等多种疾病的药理学作用。
3.2 DNA甲基转移酶抑制剂
核苷类DNA甲基转移酶抑制剂作用机理是在体内通过代谢形成三磷酸脱氧核苷，在DNA复制过程中代替胞嘧啶，与DNMTs具有很强的结合力。核苷类似物5氮杂胞苷(5azacytidine)是第一个发现的甲基化抑制剂，最初被认为是细胞毒性物质，随后发现它可抑制DNA甲基化和使沉默基因获得转录性，用于治疗高甲基化的骨髓增生异常综合征，低剂量治疗白血病。其他核苷类DNA甲基转移酶抑制剂有5氮2脱氧核苷(5aza2′deoxycytidine)，Zebularine(5azacytidine的衍生物)[19]，5Fluoro2′deoxycytidine，RG108，Procainamide，Psammaplins(4aminobenzoic acid衍生物)，MG98(寡聚核苷酸)等。DNA甲基化抑制剂Procainamide可用于抗心律失常。另外在茶叶和海藻中提取的EGCG也显示具有体外活性。临床中应用反义寡核苷酸对DNA甲基转移酶进行抑制正在进行实验。
3.3 联合治疗
DNA甲基化抑制剂与HDAC抑制剂联合应用治疗疾病可能具有协同作用。进行表观修饰治疗后的细胞可能对于化疗、干扰素、免疫治疗更具有敏感性。在癌症的治疗方面，应当包括遗传治疗和表观遗传治疗两个方面，同时运用两种或两种以上表观修饰的方法对病人进行治疗对人类疾病意义重大。
3.4 其他方法
人胚胎干细胞保留有正常基因印记，这些干细胞可能具有治疗意义[20]。另外，在女性细胞中非活性的X染色体中存在正常的野生型基因，如果选择正确的靶点，就有可能激活这个正常但是未被利用的野生型基因，从而对其进行基因治疗。有报道[21]运用RNAi技术沉默胰岛β细胞相关基因，抑制胰岛淀粉样形成可能用来治疗糖尿病。短链脂肪酸(SCFAs)丙戊酸钠用于抗癫痫，丁酸可用来治疗结肠癌[22]等。siRNA可在外来核酸的诱导下产生，通过RNA干扰(RNAi)清除外来核酸，对预防传染病有重要作用。目前，RNA干扰已大量应用于包括肿瘤在内的疾病研究，为一些重大疾病的治疗带来了新的希望。
4 结 语
从表观遗传学提出到现在，人们对表观遗传学与人类疾病的发生有了更深入的认识。人类表观基因组计划(human epigenome proiect，HEP)已经于2003年开始实施，其目的是要绘制出不同组织类型和疾病状态下的人类基因组甲基化可变位点(methylation variable position ，MVP)图谱。这项计划可以进一步加深研究者对于人类基因组的认识，为表观遗传学方法治疗人类复杂疾病提供蓝图[1]。但是，表观遗传学与人类生物学行为(临床表型)有密切关系，人类对表观遗传学在疾病中的角色研究还处于初级阶段。应更进一步研究表观遗传学机制、基因表达以及与环境变化的关系，有效减少表观遗传疾病的发生风险，努力探索这片造福人类的前沿领域。
参考文献
[1] DAVID R，MELLISSA M. Epigenetic and human disease:translating basic biology into clinical applications[J]. CMAJ， 2006，174(3):136-146.
[2] 董玉玮，候进惠，朱必才，等.表观遗传学的相关概念和研究进展[J].生物学杂志，2005，22(1):1-3.
[3] 张永彪，褚嘉佑.表观遗传学与人类疾病的研究进展[J].遗传，2005，27(3):466-472.
[4] GERDA E， GANGNING L， ANA A，et al. Epigenetics in human disease and prospects for epigenetic therapy[J].Nature，2004，429(27):457-462.
[5] 吴超群.表观遗传学和人类疾病[J].中国优生优育2007，13(3):112-119.
[6] 赵红宇，李红，张旭，等.侵袭性牙周炎的表观遗传学研究[J].医药论坛杂志，2006，27(21)：29.
[7] MARTIN H，MARCO A.Epigenetics and human disease[J].Int J Biochem Cell Biol，2009，41:136-146.
[8]李莉，李真.表观遗传学在肿瘤诊断及治疗中的研究进展[J].重庆医学，2008，37(11)：1250.
[9] LEWIN B.Gene Ⅷ[M]. New Jersey:Perarson Prenc Hall press， 2004:315-320.
[10] HUANG C， SLOAN E A， BOERKOEL C F. Chromatin remodeling and human disease[J].Curr Opin Genet Dev， 2003， 13 (3): 246-252.
[11] HEARD E.Recent advances in Xchromosome inactivation[J]. Curr Opin Cell Biol，2004，16:247-255.
[12] LIAO D J， DU Q Q， YU BW，et al. Novel perspective: focusing on the X chromosome in rep roductive cancers[J].Cancer Invest，2003，21(4):641-658.
[13] FEINBERG A P，TYCKO B.The history of cancer epigenetic[J].Nat Rev Cancer，2004，4(2)：143-153.
[14] ANDREW P.Phenotypic plasticity and the epigenetics of human disease[J].Nature，2007，447(24)：433.
[15] GODRREY K M， LILLYCROP K A， BURDGE G C，et al. Epigenetic mechanismsand the mismatch concept of the developmental origins of health and disease[J].Pediatr Res， 2007，61:5R-10R.
[16] WAYNE S， CUTFIELD，PAUL L.et al. Could epigenetics play a role in the developmental origins of health and disease?[J]. Pediatr Res，2007，61(5):68R.
[17] EDWARDS T M， MYERS J P. Environmental exposures and gene regulation in diseaseetiology[J]. Environ Health Perspect，2007;115:1264-1270.
[18] 南，徐克前.表观遗传学药物FK228的药理作用及机制[J].国际病理科学与临床杂志，2008.28(4)297-300.
[19] CHENG J C，YOO C B，WEISENBERGER D J，et al.Preferential response of cancer cells to zebularine[J].Cancer Cell，2004，6(2)：151.
表观遗传学的概念范文第2篇
关键词：遗传学教学;科研理念;前沿知识
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）46-0165-02
遗传学是生命科学中最核心的学科，也是发展最为迅速的学科之一。例如差不多每期顶级期刊《细胞》（Cell）、《自然》（Nature）和《科学》（Science）（国内简称CNS）都会发表遗传学方面重要突破的文章。但是遗传学教材的内容则相对滞后，原因是教材的编写和出版周期较长，加之教材内容主要是结果比较确定的内容，因此往往要比实际进展滞后5～10年或者更长时间。对遗传学这样发展极快的学科来说，如果课程内容多年不更新，每年讲同样的内容，恐怕是不恰当的。另外，传统课堂教学中注重知识传授，忽视知识获得方法的情况也显著存在。
为了改善这种状况，遗传学教学要注重结合教师的科研理念和前沿知识的介绍，而且这两方面差不多是统一的。有研究表明，教师的科研成果和教师的教学效果呈现较为显著的正相关，表明大学教师的科研和教学存在相互促进的关系。注重科研的教师，更会将学科最前沿的信息带到课堂，从而激发学生的求知欲和好奇心。这要比只会照本宣科的教师更有利于培养学生的创造能力。老一代著名科学家钱伟长先生早就指出：“教师的提高，不是靠听课进修，而是主要靠做科研工作，边研究边学习，这是积极有效的方法。”“教师的教，主要不是把知识教给学生，而是要把获取和处理知识的能力教给学生。”“讲课不应只讲具体的知识。具体的知识学生是很容易懂的，教师应讲重大的概念，讲过去和当前发展的情况，发展的趋势和走向，讲你自己的观点，用你头脑里的一把火去点燃千百学生头脑里的一把火。”
不注重知识获得过程，只注重结论的传授，会阻碍学生对科学本质的理解;而不注重前沿知识的教学，则容易造成科学教育的“片断化”。前沿知识的教育，可以让学生了解学科的迅速发展，结果日新月异，体验前沿激动人心的进展，能激发他们的认知兴趣，引发探究欲望。此外，注重课堂教学中渗透科研理念和前沿知识，可以防止学生对教材和书本的盲信盲从和过度依赖，有助于学生对科学发现和科学本质深刻了解，养成科学精神。其实不止科学类课程是如此，文科教学也应如此。在这方面一些文科方面的大师给我们做出了很好的榜样。据历史学大师陈寅恪学生和女儿的回忆：“寅师授课，创见（Discovery）极多，全非复本（Reproduction）。”“即使每年开同以前一样的课程，每届讲授内容都必须有更新，加入新的研究成果、新的发现，绝不能一成不变。”
教师在在课堂教学中结合自己的研究，适当介绍研究对象的进展情况，所用遗传学方法的利用情况，将亲身经历和体会告诉学生，是很能提高学生的学习兴趣和加深学生对相关知识的掌握的。例如，结合我的科研工作，在遗传学教学中适当章节介绍互补测验、分子标记在基因克隆中的重要作用，以及上位性在进行遗传学分析和分子机理揭示方面的作用，都加深了学生对所学知识的印象，提高了教学效果。另外，本身是搞科研的教师，通常不会干巴巴介绍书本上的结论，有意注重经典实验的介绍。如Avery-MacLeod-McCarty的R型细胞向S型细胞转化试验和Hershey-Chase的噬菌体侵染大肠杆菌（Escherichia coli）试验证明生物的遗传物质是DNA。Watson和Crick的DNA三维结构模型，是在DNA碱基的Chargaff规律和DNA的X射线衍射照片的基础上提出的。证明DNA和染色体的半保留复制，需要介绍Meselson-Stahl对大肠杆菌DNA的超速离心实验及利用BudR对复制染色体的标记实验。三联体密码子的存在和解码，需要介绍Crick利用噬菌体T4的rII突变体的遗传分析，Nirenberg和Mathaei利用无细胞的体外翻译方法破译遗传密码。
在农科遗传学教学中，我们发现很多前沿知识需要补充。目前随着包括人类、果蝇、拟南芥、水稻等在内的模式生物基因组测序工作的完成，遗传学进入了后基因组时代，即功能基因组学时代。在基因组、转录组、蛋白质组等水平上的系统研究手段需要让学生有所了解。此外，一些观念需要更正。如在真核生物基因组中存在着大量的非编码的DNA，原来以为它们没有什么功能，称之为“垃圾DNA”，现在人们发现事实并非如此，这些“垃圾DNA”可以通过编码微RNA（microRNA，miRNA）而发挥功能。
在基因表达调控领域，是研究相当活跃的遗传学领域之一。表观遗传学（epigenetics）机制和微RNA的作用，都需要在适当章节加以简介。不少遗传学课本这方面的内容极少，甚至有的课本提都不提。表观遗传是基因结构未改变但基因表达发生变化或染色质调节基因转录水平改变的遗传变化，主要内容包括DNA甲基化作用（DNA methylation）、组蛋白修饰作用（histon modification）、染色质重塑（chromatin remodeling）、遗传印记（genetic imprinting）、X染色体失活（X chromosome inactivation）及非编码RNA（non-coding RNA s）等，这些内容对理解生物基因表达调控奥秘，运用表观遗传学技术来改变或调整基因表达方面都具有重要意义。微RNA是一类在基因表达调控、细胞分化等过程中发挥重要的作用的RNA分子，大小约21-25个核苷酸，一般来源于染色体的非编码区域。微RNA通过RNA干扰作用机制发挥生物学功能，是21世纪生命科学的重要发现。这些重要突破将来获得诺贝尔奖的可能性是很大的，呼声也是很高的。
即使在经典遗传学领域，目前在揭示遗传规律和遗传现象发生机制方面也取得了长足的进步。例如在讲授孟德尔分离规律时，F1代表现显性性状，而不表现隐性性状。我们可以提一下日本奈良尖端科学技术大学院大学高山诚司（Seiji Takayama）课题组2006年发表在《自然-遗传学》和2010年发表在《自然》上的两篇文章。他们的研究表明，显性基因表达，而隐性基因表达被抑制的原因是，由于位于显性基因附近的某种基因指导合成了一种顺式作用的小分子非编码RNA（24-nucleotide sRNA），导致隐性基因甲基化，从而隐性基因作用被遏制。
由于遗传学教师的实际科研工作可能只集中在相关生物遗传的某一个很窄的方面，如果要在课堂教学中渗透前沿学科知识，就需要经常性阅读遗传学方面的国外版本更新较快的专著、教材如Krebs JE、Goldstein ES、Kilpatrick ST编写的《基因》（Levin’s GENE XI），期刊如英国《自然》（Nature）、美国的《科学》（Science）和《细胞》（Cell）网页中全文（或摘要）、科技新闻及评论。此外，遗传学教师在有条件的情况下，宜泛览《自然-遗传学》（Nature genetics）、《自然综述遗传学》（Nature reviews genetics）、《遗传学年评》（Annual Review of Genetics）、《遗传学趋势》（Trends in Genetics）、《美国人类遗传学杂志》（American Journal of Human Genetics）、《基因组研究》（Genome Research）、《遗传与发育新见》（Current Opinion in Genetics & Development）等国际著名的遗传学期刊，并将最新的遗传学领域最新和最重要的发现、进展和动态介绍给学生，这对开阔学生专业视野、提高学生的学习兴趣大有裨益。
参考文献
[1]魏红，程学竹，赵可.科研成果与大学教师教学效果的关系研究[J].心理发展与教育，2006，（2）：85-88.
[2]钱伟长.大学必须拆除教学与科研之间的高墙[J].群言，2003，223（10）：16-20.
[3]陈世鸥，王辉.前沿物理教学与新课程改革[J].复旦教育论坛，2005，（3）：49-53.
[4]张求会.陈寅恪丛考.杭州：浙江大学出版社，2012：130.
表观遗传学的概念范文第3篇
[关键词] 精准医学；基因组学；医学研究生；培养
[中图分类号] R394；G642 [文献标识码] A [文章号] 1673-7210（2017）01（a）-0113-04
[Abstract] Precision medicine is the development trend of medical science. The ability to practice precision medicine is dependent on genomics. The genomics research of common diseases and rare diseases， as well as the pharmacogenomics have been widely used in the era of precision medicine. To help the postgraduate students master the basic knowledge of genomics and understanding the latest genomics development and application， it is necessary to keep pace with the development of discipline. By learning genomics， the medical postgraduates can improve the ability and level of scientific research， and lay a good found a tion for their clinical work in future. To adapt to the requirements of the rapid development of genomics， some elements of teaching mode should bead just to meet the requirements of rapid development of genomics in the era of precision medicine， which can expand the basic knowledge of medical postgraduates and train medical talents with interdisciplinary background.
[Key words] Precision medicine； Genomics； Medical postgraduates； Cultivation
精准医学是以个体化医疗为基础、随着基因组测序技术快速进步以及生物信息与大数据科学的交叉应用而发展起来的新型医学概念与医疗模式。2015年1月20日，美国总统奥巴马发表讲话，呼吁美国要增加医学研究经费，推动个体化基因组学研究，依据个人基因信息为癌症及其他疾病患者制订个体医疗方案，拉开了精准医学的大幕。精准医学体现了医学科学发展趋势，也代表了临床实践发展的方向，必将在不远的将来惠及国民健康及疾病防治。基因组学研究是实现精准医学的重要手段。本文就精准医学时代培养医学研究生利用基因组学进行科研工作和疾病诊疗的重要性以及基因组学教学模式的调整进行初步探讨。
1 精准医学的本质
精准医学是通过基因组、蛋白质组等组学技术和其他前沿科技，依据患者内在生物学信息及临床特点，在分子学水平为疾病提供更加精细的分类及诊断，从而对患者进行个性化精准治疗，以期达到治疗效果最大化和副作用最小化的一门订制医疗模式[1]。精确、准时、共享、个体化是精准医学的四要素。
精准医学研究的主要目的是通过标准化的各种大型的队列研究和多种组学研究，寻找疾病的新的生物标志物以完善疾病分类；完善后的新疾病分型通过药物基因组学等手段进行临床转化，达到个体化的精准医疗[2]。如何将精准医学基础研究成果转化，服务于临床实践，将是精准医学模式下需要着重思考的问题。
表观遗传学的概念范文第4篇
[关键词]本草基因组学； 基因组学； 组学； 中药
[Abstract]Traditional Chinese medicine （TCM） has contributad greatly to improving human health However， the biological characteristics and molecular mechanisms of TCM in the treatment of human diseases remain largely unknown Genomics plays an important role in modern medicine and biology Here， we introduce genomics and other related omics to the study of herbs to propose a new discipline， Herbgenomics， that aims to uncover the genetic information and regulatory networks of herbs and to clarify their molecular mechanisms in the prevention and treatment of human diseases Herbgenomics includes herbal structural genomics， functional genomics， transcriptomics， proteomics， metabonomics， epigenomics and metagenomics Genomic information， together with transcriptomic， proteomic， and metabolomic data， can therefore be used to predict secondary metabolite biosynthetic pathways and their regulation， triggering a revolution in discoverybased research aimed at understanding the genetics and biology of herbs Herbgenomics provides an effective platform to support chemical and biological analyses of complex herbal products that may contain more than one active component Herbgenomics is now being applied to many areas of herb related biological research to help understand the quality of traditional medicines and for molecular herb identification through the establishment of an herbal gene bank Moreover， functional genomics can contribute to model herb research platforms， geoherbal research， genomicsassisted herb breeding， and herbal synthetic biology， all of which are important for securing the future of medicinal plants and their active compounds In addition， Herbgenomics will facilitate the elucidation of the targets and mechanism of herbs in disease treatment and provide support for personalized precise medicineHerbgenomics will accelerate the application of cuttingedge technologies in herbal research and provide an unprecedented opportunity to revolutionize the use and acceptance of traditional herbal medicines
[Key words]Herbgenomics； genomics； omics； traditional Chinese medicine （TCM）
doi：10.4268/cjcmm20162101
本草基因组学（herbgenomics）是利用组学技术研究中药基原物种的遗传信息及其调控网络，阐明中药防治人类疾病分子机制的学科，从基因组水平研究中药及其对人体作用的前沿科学。涉及中草药结构基因组、中草药转录组、中草药功能基因组、中草药蛋白质组、中药代谢组、中草药表观基因组、中草药宏基因组、药用模式生物、基因组辅助分子育种、DNA鉴定、中药合成生物学、中药基因组学、中草药生物信息学及数据库等理论与实验技术。
传统药物应用历史悠久，应用方式多样，相关研究主要集中在形态识别、化学物质基础揭示、药效作用分析、资源调查、人工栽培等方面，但长期以来对传统药物基因资源的认识和了解十分薄弱，人才极其匮乏。由于中药原植物基因组信息缺乏，中医药学和现代生命科学之间缺乏沟通的桥梁，新兴的前沿生命科学技术很难应用于传统中医药研究，如对于中药道地性形成和维持的遗传机制及道地性和药性的相互关系缺乏深入了解，已严重影响了我国道地药材的资源保护和新品种选育，中药道地性形成和维持的遗传基础研究急需加强；中药药性的生物学本质研究亟待加强，多年来中药药性研究主要集中在化学和药理方向，但对于中药药性的生物学本质研究还非常薄弱，已从根本上制约了对中药药性的深入研究；中药基因资源是一种珍贵的国家战略资源，国际竞争严峻，韩国、美国、日本等国家已启动许多中药基原物种全基因组研究，对我国传统中药研究领域造成极大挑战。另外，由于大多数药用植物有效成分含量低，分离提取需要消耗大量原料，对天然资源造成极大破坏，也使得多数提取类药物的生产成本很高。
本草基因组学作为新兴学科，广义而言是从基因组水平研究中药及其对人体作用。一方面从基因组水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系，研究基因及其突变体对不同个体药物作用效应差异的影响，从蛋白质组学角度研究中药作用靶点，特别是中药复方的多靶点效应，为中药配伍提供科学依据，指导药物开发及合理用药，为实现个体化精准医疗提供重要信息和技术保障；另一方面建立含有重要活性成分的中药原植物基因组研究体系，系统发掘中药活性成分合成及优良农艺性状相关基因，解析代谢物的合成途径、代谢物网络及调控机理，为中药道地品种改良和基因资源保护奠定基础，为中药药性研究提供理论基础，对传统药物学理论研究和应用具有重要意义，从基因组层面阐释中药道地性的分子基础，推动中药创新药物研发，为次生代谢产物的生物合成和代谢工程提供技术支撑，创新天然药物研发方式，为优质高产药用植物品种选育奠定坚实基础，推动中药农业的科学发展，对揭示天然药物形成的生物学本质具有重要价值，对培养多学科人才充实到传统药物研究具有引领作用。狭义而言本草基因组学集中研究中草药本身的遗传信息，不涉及对人体的作用。也就是说狭义本草基因组学主要研究中草药结构基因组、转录组、功能基因组、蛋白质组、代谢组、表观基因组、宏基因组，以揭示中药道地性和中药药性的遗传本质。本草基因组学正促进前沿生命科学技术应用到中药领域，推动中药研究迅速走到生命科学的最前沿。
1 本草基因组学的产生和发展
1.1 本草基因组学的产生 从“神农尝百草，一日而遇七十毒”的传说到现存最早的中药学著作《神农本草经》（又称《本草经》），从世界上现存最早的国家药典《新修本草》（即《唐本草》）到本草学巨著《本草纲目》，两千多年来，中药学的发展反映了我国劳动人民在寻找天然药物、利用天然药物方面积累了丰富经验。中药学是中国医药学的伟大宝库，对世界医药学发展作出了巨大贡献。随着现代科学技术的发展，特别是人类基因组计划（Human Genome Project）的提出和完成，对人类疾病的认识和治疗开启了全新的篇章，在此背景下，中药学研究逐渐深入到基因组水平从而导致本草基因组学产生和兴起。
1977年Sanger完成首个物种全基因组测序，噬菌体φX174基因组，大小为5.836 kb[1]；人类基因组计划由美国科学家于1985年率先提出，1990年正式启动，2000年完成，是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程，其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的[2-3]。2000年，破译拟南芥Arabidopsis thaliana全基因组，大小为125 Mb，作为第一个植物全基因组测序在植物科学史上具有里程碑意义[4]。我国药用植物有11 146种，约占中药材资源总数的87%[5]，是所有经济植物中最多的一类。同时，药用植物也是S多化学药物的重要原料，目前1/3以上的临床用药来源于植物提取物或其衍生物，其中最著名的青蒿素来源植物是黄花蒿。
中国学者应用光学图谱和新一代测序技术，完成染色体水平的灵芝基因组精细图绘制，通过基因组解析提出灵芝为首个中药基原的药用模式真菌，文章发表在《自然通讯》上，期刊编辑部以特别图片（featured image）形式进行了推介（图1）[6]，认为该论文表明灵芝对于研究传统菌类中药的次生代谢途径及其调控是一个有价值的模式系统。灵芝基因组图谱的公布为开展灵芝三萜等有效成分的合成研究提供了便利，随着这些合成途径的逐步解析，使得通过合成生物学合成灵芝有效成分成为可能。同时，对灵芝生长发育和抗病抗逆关键基因的发掘和认知，将推动灵芝的基因组辅助育种研究，加速灵芝新品种的培育，并为灵芝的科学栽培和采收提供理论指导。
2009年，陈士林团队提出本草基因组计划，即针对具有重大经济价值和典型次生代谢途径的药用植物进行的全基因组测序和后基因组学研究，全基因组测序、组装和分析策略：测序物种的筛选原则，待测物种基因组预分析，测序平台的选择，遗传图谱和物理图谱的绘制，全基因组的组装及生物信息学分析；模式药用植物突变体库的建立和基因功能研究；药用植物有效成分的合成及其调控研究；药用植物抗病抗逆等优良性状的遗传机制研究及优良品种选育。在此基础上，详细介绍了本草基因组方法学研究：全面介绍物种基因组大小、染色体数目测定方法、第二代高通量测序方法、全基因组组装和基因组注释方法、基因组比较等生物信息学分析手段、简要阐述重测序在药用植物全基因组研究中的应用方法。由此，本草基因组学逐渐形成和完善，包括中草药结构基因组、转录组、功能基因组、蛋白质组学、代谢组、表观基因组、宏基因组、基因组辅助分子育种、中药合成生物学、中药基因组学、中草药生物信息学及数据库等内容。基于分子生物学和基因组学的药用植物鉴别是当前研究的活跃领域，用于鉴别的分子生物学和基因组学技术：AFLP、RFLP、RAPD、DNA微阵列技术（microarray）、DNA条形码（barcoding）等，基于基因组鉴别的分子基础是植物分子系统发育关系反映物种进化关系。在这些技术当中，药用植物DNA条形码鉴定策略及关键技术是最受关注的方向，中药材DNA条形码分子鉴定指导原则已列入《中国药典》2010年版增补本Ⅲ和《中国药典》2015年版。
1.2 本草基因组学的发展 2015年国际期刊《科学》增刊详述“本草基因组解读传统药物的生物学机制”，提出本草基因组学为药用模式生物、道地药材研究、基因组辅助育种、中药合成生物学、DNA鉴定、基因数据库构建等提供理论基础和技术支撑（图2）。目前，药用植物基因组学与生物信息学已经进入快速发展阶段，必将对传统药物学产生巨大影响。国内外已经开展青蒿[7]、丹参[8-15]、西洋参[16]、甘草[17]等多种药用植物的大规模转录组研究。基因组序列包含生物的起源、进化、发育、生理以及与遗传性状有关的一切信息，是从分子水平上全面解析各种生命现象的前提和基础。第二代高通量测序技术的飞速发展及第三代单分子测序技术的兴起使测序成本大大降低，测序时间大大缩短，为本草基因组计划的实施奠定了坚实的技术基础。目前，赤芝[6]、紫芝[18]、丹参[19]及铁皮石斛[20-21]等重要药用植物的基因组已完成测序工作并发表，人参、苦荞、穿心莲、紫苏等中草药基因组图谱也完成绘制。
例如为了解析丹参的遗传背景，陈士林团队联合国内外著名高校和研究机构，通过联合测序技术完成了丹参基因组图谱的组装，丹参基因组的完成代表着首个鼠尾草属物种基因组图谱的成功绘制。进化分析显示丹参与芝麻亲缘关系更近，估计其分化时间约6 700万年前。丹参基因组的发表推动首个药用模式植物研究体系的确立。本草基因组学将开辟中药研究和应用的全新领域，把握历史性机遇，将极大提高我国开发中药资源的能力，增强我国中药基础研究实力、提高我国中药研究的自主创新能力，对于加速中药现代化进程具有重大的战略性科学意义，促进中药研究和产业的快速发展[22]。本草基因组学将使中草药生物学研究进入一个崭新的时代――本草基因组时代。
1.3 学科内涵和外延 根据本草基因组学产生和发展过程，主要从3个方面确定学科的内涵，即理论体系、实验技术和应用方向（图3）。本草基因组学形成了高度综合的理论体系，包括从基因组水平研究本草的九大内容：中草药结构基因组、中草药功能基因组、中草药转录组和蛋白质组、中药代谢组、中草药表观基因组、中草药宏基因组、中药合成生物学、中药基因组学、中草药生物信息学等。本草基因组学的实验方法主要包括九大技术：高通量测序技术、遗传图谱构建技术、光学图谱构建技术、基因文库构建技术、突变库构建技术、组织培养与遗传转化、蛋白质分离纯化与鉴定技术、四大波谱技术及联用、基因组编辑技术等。基于本草基因组学的理论体系和实验技术，形成了该学科的七大应用方向：药用模式生物研究、阐明道地药材形成机制、基因组辅助育种、基因资源保护和利用、中药质量评价和控制、中药新药研发、指导相关学科研究。
本草基因组学的学科外延与本草学、中药学、基因组学、生物信息学、分子生物学、生物化学、生药学、中药资源学、中药鉴定学、中药栽培学、中药药理学、中药化学等密切相关（图4）。本草学和中药学为本草基因组学奠定了深厚的历史基础和人文基础，为本草基因组学研究对象的确定提供丰富候选材料，基因组学和生物信息学为本草基因组学提供前沿理论和技术支撑，分子生物学、生物化学、中药化学则为本草基因组学提供基础理论和基本实验技术支持，生药学、中药资源学、中药鉴定学、中药栽培学与本草基因组学互相支撑发展，各学科的侧重点不同，中药药理学、中药化学为本草基因组学的应用提供技术支持。与以上各学科相呼应，本草基因组学促进本草学和中药学从经典走向现代、从传统走向前沿，为中医药更好服务大众健康提供强大知识和技术支撑，扩大了基因组学和生物信息学的研究对象和应用领域，为分子生物学、生物化学、中药化学走向实践应用提供了生动案例，推动生药学、中药资源学、中药鉴定学、中药栽培学从基因组和分子水平开展研究，为中药药理学的深入研究提供理论和技术支持。
2 本草基因组学研究热
本草基因组学借助基因组学研究最新成果，开展中草药结构基因组、中草药功能基因组、中草药转录组和蛋白质组、中草药表观基因组、中草药宏基因组、中药合成生物学、中药代谢组、中药基因组学、中草药生物信息学及数据库等理论研究，同时对基因组研究相关实验技术在本草学中的应用与开发进行评价，推动本草生物学本质的揭示，促进遗传资源、化学质量、药物疗效相互关系的认识，以下详细阐述本草基因组学的研究内容。
2.1 中草药结构基因组研究 我国药用资源种类繁多，因此药用物种全基因组计划测序物种的选择应该综合考虑物种的经济价值和科学意义，并按照基因组从小到大、从简单到复杂的顺序进行测序研究。在测序平台的选择上应以第二代及第三代高通量测序平台为主，以第一代测序技术为辅。近年来，紫芝、赤芝、茯苓、丹参、人参、三七等10余种药用植物被筛选作为本草基因组计划的第一批测序物种，其中赤芝结构基因组发表被《今日美国》（USA Today）以“揭秘中国‘仙草’基因组”为题报道（图5），丹参基因组小（约600 Mb）、生长周期短、组织培养和遗传转化体系成熟等原因，被认为是研究中药活性成分生物合成理想的模式植物[23]。丹参全基因组测序完成已推动丹参作为第一个药用模式植物研究体系形成。
由于多数药用植物都缺乏系统的分子遗传学研究，因此在开展全基因组计划之前进行基因组预分析非常必要。基因组预分析的主要内容包括：①利用条形码等技术对满足筛选原则的待测物种进行鉴定[24-25]；②通过观察有丝分裂中期染色体确定待测物种的染色体倍性和条数；③采用流式细胞术[26]或脉冲场电泳技术估测物种的基因组大小，为测序平台的选择提供参考；④基因组Survey测序，在大规模全基因组深度测序之前，首先对所选药用植物进行低覆盖度的Survey测序，用来评价其基因组大小、复杂度、重复序列、GC含量等信息。
遗传图谱和物理图谱在植物复杂的大基因组组装中具有重要作用。借助于遗传图谱或物理图谱中的分子标记，可将测序拼接产生的scaffolds按顺序定位到染色w上。但遗传图谱的构建需要遗传关系明确的亲本和子代株系，因此其在大多数药用植物中的应用受到限制。物理图谱描绘DNA上可以识别的标记位置和相互之间的距离（碱基数目）。最初的物理图谱绘制多是基于BAC文库，通过限制性酶切指纹图谱、荧光原位杂交等技术将BAC克隆按其在染色体上的顺序排列，不间断地覆盖到染色体上的一段区域[27]。如今，光学图谱OpGen[28]和单分子光学图谱BioNano等[29]依赖于大分子DNA酶切标记的方法常用于物理图谱的绘制。
随着第二代测序技术的快速发展，用于短序列拼接的生物信息学软件大量涌现，常用软件包括Velvet[30]， Euler[31]， SOAPdenovo2[32]， CAP3[33]等。基因组草图组装完成后，可利用生物信息学方法对基因组进行分析和注释，为后续功能基因组研究提供丰富的资源。例如，可以通过GeneScan[34]， FgeneSH[35]等工具发现和预测基因，利用BLAST同源序列比对或InterProScan[36]结构域搜索等方法对基因进行注释，利用GO分析对基因进行功能分类[37]，利用KEGG对代谢途径进行分析等[38]。
2.2 中草药功能基因组研究 根据全基因组序列和结构信息，中草药功能基因组研究充分利用转录组学、蛋白组学、代谢组学等方法，对药用植物的功能基因进行发掘和鉴定，研究内容主要集中于构建模式药用植物平台、次生代谢产物合成途径和调控机制的解析、抗病抗逆等优良农艺性状遗传机制的揭示等。
拟南芥、水稻等重要模式植物均具有大规模的T-DNA 插入突变体库，利用这些突变体库发掘了大量生长发育、抗逆性、代谢相关的重要基因。丹参等模式药用植物全基因组序列和大规模突变体库的建立将为药用植物研究提供丰富的资源和材料，从而推动药用植物功能基因研究， 尤其是次生代谢途径相关基因的鉴定进程，突变体库中的一些具有抗逆、抗病、高产等优良性状的突变株系以及转基因植株也是良好的新种质资源。药用植物有效成分的生物合成途径和调控方面的研究还很薄弱，主要集中在长春花、青蒿和甘草等少数物种，一些具有重大商业价值的天然药物，如紫杉醇、长春碱、喜树碱等生物合成途径至今还未被完全解析，已有报道多采用单基因研究策略。本草基因组学为次生代谢途径相关基因的“批量化”发掘奠定基础，对次生代谢产物的生物合成及代谢工程等应用领域产生重要影响。
与生长发育、抗逆抗病、重要遗传性状及种质性状控制相关的基因是药用植物重要的功能基因，利用基因组注释信息，发掘优良基因，运用基因工程的手段打破生殖隔离，培育活性成分含量高的具有优良农艺性状的新品种，为活性成分的大量提取和广泛临床应用奠定基础[39]。中草药结构基因组将为转录组分析和基因组重测序研究提供参考序列，通过对种内或品种间种群个体的转录组测序和重测序可快速、准确、大规模地发现SNP，SSR，InDel等分子标记，加速分子标记和优良性状的遗传连锁研究，快速发现药用植物的表型、生理特征与基因型的关系，提高育种工作效率[39]。
2.3 中药组学其他研究 中草药转录组学是中草药功能基因组学的重要研究内容，是在整体水平上研究中草药某一生长阶段特定组织或细胞中全部转录本的种类、结构和功能以及基因转录调控规律的科学。中草药转录组研究为鉴定中草药植物生长发育及抗病抗逆等优良性状相关的基因功能提供基础[40-41]。目前，在多数中草药植物无法进行全基因组测序的情况下，转录表达谱研究成为比较基因序列、鉴定基因表达的一种快速方法。通过对中草药不同组织部位、不同生长时期、不同生长环境下的转录组进行比较分析，可有效发掘参与中草药植物生长发育及抗病抗逆等优良性状相关基因。
中药蛋白质组学是将蛋白质组学技术应用于中药研究领域，一方面通过比较对照细胞或动物组织的蛋白质表达谱和给予中药后蛋白质表达谱的差异，可找到中药的可能靶点相关蛋白质，另一方面不同中草药及其不同组分例如根茎叶中蛋白质组的差异，以评价中草药活性成分与其生长过程中蛋白组变化的关系，寻找中药高活性的机制。不同于其他蛋白质组学，中药蛋白质组学的研究对象为中草药本身及用中药（单体化合物、中药组份或复方）处理后的生物体（细胞或组织），发现中药的有效成分及作用机制。中药蛋白质组学的研究目标包括：中药药物作用靶点的发现和确认，特别是中药复方的多靶点效应，蛋白质组学能更好发现中药复方的多种靶点，研究中药植物蛋白质组成差异，阐明中药作用机制及中药毒理作用机制，以及为中药配伍提供科学依据。
中药代谢组学结合中草药结构基因组解析代谢物的合成途径、代谢物网络及调控机理，研究内容主要包括药用植物的鉴别和质量评价，药用植物品种选育及抗逆研究，初生、次生代谢途径解析，代谢网络、代谢工程研究及合成生物学研究等几个方面，最终为药用植物品种选育、创新药物研发和质量安全性评价奠定基础。
中药基因组学从基因水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系，研究基因及其突变体对不同个体药物作用效应差异的影响，以此平台指导药物开发及合理用药，为提高药物的安全性和有效性，避免不良反应，减少药物治疗费用和风险，实现个体化精准医疗提供重要信息和技术保障。例如，Sertel等[42]经基因检测得出53/56的基因上游位置包含一个或多个c-Myc/Max结合位点，c-Myc和Max介导的转录控制基因表达可能有助于提高青蒿琥酯对癌细胞的治疗效果[43]。又如，银杏具有显著的诱导CYP2C19活性效应，研究显示不同CYP2C19基因型个体，银杏与奥美拉唑（omeprazole，广泛使用的CYP2C19底物）存在潜在的中西药互作关系。Chen等 [44]研究了健康志愿者体内六味地黄丸潜在的中-西药相互作用以及是否受基因型影响。
中草药表观基因学是针对本草基因组计划中具有重要经济价值的药用植物和代表不同次生代谢途径的模式药用植物开展表观基因组学研究。研究内容主要包含4个领域：分别是DNA甲基化、蛋白质共价修、染色质重塑、非编码RNA调控。中草药表观基因组学将通过研究重要中药材（药用生物）的基因组信息及其表观遗传信息变化，探索环境与基因、基因与基因的相互作用，解析哪些基因受到环境因素的影响而出现表观遗传变化可能提高中药材的药效品质，哪些表观遗传信息影响中药的性味等。
中草药宏基因组学是以多种微生物基因组为研究对象，对药材生长环境中微生物的多样性、种群结构、进化关系、功能活性以及微生物与药材生长相互协作关系进行研究的一门学科，对于帮助解决中草药连作障碍等现实问题具有重要指导作用。
药用模式生物研究体系的确立是本草基因组学的重大贡献，该体系具有模式生物的共同特征。从一般生物学属性上看，通常具有世代周期较短、子代多，表型稳定等特征。从遗传资源看，基因组相对较小，易于进行全基因组测序，遗传转化相对容易。从药用特点看，需适于次生代谢产物生物合成和生产研究。
3 本草基因组学的实践应用
本草基因组学作为前沿科学，具有很强的理论性，同时该学科涉及的技术方法和理论对中医药实践具有巨大的指导意义。例如，基于中草药结构基因组开发的DNA条形码分子鉴定技术被国际期刊《生物技术前沿》以题为“草药鉴定从形态到DNA的文艺复兴”发表，将给传统中药鉴定带来革命性影响；基于中草药功能基因组和表观基因组研究阐明道地药材的形成机制，将对优质中药生产和栽培技术的改进提供指导；基于本草基因组学构建的基因数据库、代谢物数据库、蛋白数据库等，以及开发的相关生物信息学方法，将为中药药理学、中药化学、新药开发等提供战略资源；基于合成生物学技术实现目标产物的异源生产，具有环境友好、低耗能、低排放等优点，将为天然药物研发提供全新方式。
3.1 道地药材的生物学本质研究 道地药材是优质药材的代表，既受遗传因素的控制，又受环境条件的影响。组学技术可提供有用工具阐明道地药材的分子机制，例如，道地药材“沙漠人参”肉苁蓉Cistanche deserticola是中国最具特色的干旱区濒危药用植物和关键物种，新疆和内蒙古是其重要主产区和传统道地产区，研究表明，内蒙古阿拉善和新疆北疆是肉苁蓉两大生态适宜生产集中区（2类生态型），黄林芳等[45]对两大产区肉苁蓉化学成分、分子地理标识及生态因子进行考察。应用UPLC-Q-TOF/MS技术对肉苁蓉苯乙醇苷及环烯醚萜苷类成分进行分析；基于psbA-trnH序列对不同产地肉苁蓉进行分子鉴别及分析；通过“中国气象科学数据共享服务网”，获得两大产区包括温度、水分、光照等生态因子数据；运用生物统计、数量分类等分析方法，对肉苁蓉进行生态型划分。UPLC-Q-TOF/MS分析表明，内蒙古与新疆产肉苁蓉明显不同，鉴定出16种成分，其中2′-乙酰毛蕊花糖苷可作为区分两大产地肉苁蓉的指标成分；psbA-trnH序列比对分析发现，肉苁蓉不同产地间序列位点存在差异，新疆产肉苁蓉在191位点为G，内蒙古产则为A，NJ tree分析表明，肉苁蓉2个产地明显分为2支，差异显著；生态因子数据亦表明，肉苁蓉的两大气候地理分布格局，为研究不同生态区域中药生态型及品质变异的生物学本质提供了一种新思路，也为深化道地药材理论研究奠定重要基础。
另外，针对同一药材在不同种植区域，开展中草药表观基因组研究，明确不同生产区域的遗传变异，特别是环境不同对药材表观遗传的修饰作用，包括DNA甲基化修饰、小RNA测序分析、染色质免疫共沉淀分析等。此外，土壤微生物也是道地药材生长环境中的重要因素。采用宏基因组分析土壤微生物群落，为揭示土壤微生物和药材生长的相互作用提供依据。
3.2 中药分子标记用于中药质量控制研究 本草基因组和功能基因组研究为开发药材分子标记提供了丰富基因资源。基于基因组的分子标记有AFLP， ISSR， SNP等，基于转录组的分子标记有SSR等。当前国际上最受关注的分子标记是DNA条形码，已经构建标准操作流程和数据库、鉴定软件，可广泛应用于中药企业、药房、研究院所和大专院校等。中药材DNA条形码分子鉴定指导原则已被纳入《中国药典》，植物药材以ITS2序列为主、psbA-trnH为辅助序列，动物药材以COI序列为主、ITS2为辅助序列，在此基础上，进一步开发了质体基因组作为超级条形码对近缘物种或栽培品种进行鉴定。该体系可广泛应用于中药材种子种苗、中药材、中药超微破壁饮片、中成药等鉴定，已出版专著《中国药典中药材DNA条形码标准序列》和《中药DNA条形码分子鉴定》。
3.3 本草基因资源的保护与利用 随着本草基因组研究的发展，本草遗传信息快速增加，灵芝基因组论文被Nature China网站选为中国最佳研究（图6），迫切需要一个通用平台整合所有组学数据。数个草药数据库已经被建立，例如草药基因组数据库（http：//）、转录组数据库（http：//medicinalplantgenomics.msu.edu）、草药DNA条形码数据库（http：///en）、代谢途径数据库（http：//）等。但是这些数据库缺乏长期维护，对使用者要求具备一定生物信息学技能。因此整合DNA和蛋白质序列、代谢组成分信息，方便使用的大数据库十分必要和迫切。进一步提升生物信息分析方法，更好地利用基因组和化学组信息解析次生代谢产物的生物合成途径，将有助于有效设计和寻找植物和真菌药物。
利用简化基因组测序技术获得数以万计的多态性标记。通过高通量测序及信息分析，快速鉴定高标准性的变异标记（SNPs），已广泛应用于分子育种、系统进化、种质资源鉴定等领域。利用该技术可以筛选抗病株的特异SNPs位点，建立筛选三七抗病品种的遗传标记，辅助系统选育，有效的缩短育种年限。通过系统选育的方法获得的抗病群体，并采用RAD-Seq技术筛选抗病株的SNPs位点，为基因组辅助育种提供遗传标记，进而有效缩短了三七的育种年限，加快育种进程。利用遗传图谱识别影响青蒿产量的基因位点取得突破，于《科学》[7]，该文基于转录组及田间表型数据，通过构建遗传图谱识别影响青蒿素产量的位点。青蒿植株表型的变异出现在Artemis的F1谱系中，符合高水平的遗传变异。Graham等[7]发现与青蒿素浓度相关的QTL分别为LG1，LG4及 LG9（位于C4）。在开发标记位点用于育种的同时，Graham等检测了23 000株植株的青蒿素含量，这些植株是青蒿的F1种子经甲基磺酸乙酯诱变后于温室培养12周的F2、F3代。结果发现经诱变后的材料大约每4.5 Mb有一个突变，其变异频率小于Artemis中的每1/104碱基对的SNP多态性。该方法能够识别携带有益变异的个体（来源于甲基磺酸乙酯诱变处理），同时亦能识别遗传背景获得提升的个体（由于自然变异而导致有益等位基因分离的个体）。Graham等也检测高产F2代植株青蒿素的含量：尽管F2的植株杂合性较低，但其青蒿素含量比UK08 F1群体植株的含量高。另外，Graham等验证了基于田间试验获得与青蒿素含量相关的QTL在温室培育的高产植株中高效表达。同时发现，大量分离畸变有利于有益的等位基因（位于C4 LG1且与青蒿素产量相关的QTL）。这些数据证实了QTL及其对青蒿素产量的影响，同时也证明了基因型对于温室及田间培育的青蒿材料具有极大影响。
3.4 中药合成生物学研究 结构复杂多样的中药药用活性成分是中药材发挥药效的物质基础，也是新药发现的重要源泉。然而许多中药材在开发和使用的过程中往往面R一系列难题，如许多药材生长受环境因素影响较大；有些珍稀药材生长缓慢，甚至难以人工种植；大多数药用活性成分在中药材中含量低微，结构复杂，化学合成困难；传统的天然提取或者人工化学合成的方法难以满足科研和新药研发的需求，中药合成生物学将是解决这一矛盾的有效途径。中药合成生物学是在本草基因组研究基础上，对中药有效成分生物合成相关元器件进行发掘和表征，借助工程学原理对其进行设计和标准化，通过在底盘细胞中装配与集成，重建生物合成途径和代谢网络，实现药用活性成分的定向、高效的异源合成，从而提升我国创新性药物的研发能力和医药产业的国际核心竞争力[40]。
随着基于高通量测序的中草药结构基因组学和转录组学研究的快速发展，利用生物信息学技术和功能基因组学方法从大量中药原物种的遗传信息中筛选和鉴定出特定次生代谢途径的酶编码基因，将极大加快次生代谢途径的解析进程，为中药合成生物学研究奠定坚实基础。通过优化密码子偏好性、提高关键酶编码基因的表达量、下调或抑制代谢支路等方法来优化和改造异源代谢途径， 按人们实际需求获取药用活性成分[40]。
3.5 中药作用靶点与个性化治疗 中药蛋白质组学将蛋白组学技术应用于中药研究领域，对寻找中药的可能靶点和阐明中药有效成分作用机制具有重要意义。譬如，蒋建东教授团队在小檗碱降血脂研究中开展的突出工作[46]，以及Pan等[47]利用蛋白组学技术分析丹参酮ⅡA对宫颈癌Caski细胞的抑制作用，发现C/EBP同源蛋白和细胞凋亡信号调节激酶1参与丹参酮ⅡA的抑癌作用。对于中药复方的相关作用靶点也有报道，Nquyen-Khuong等[48]探讨了由栝楼、大豆、中药五味子和西地格丝兰提取物组成的混合物作用于人膀胱癌细胞后蛋白质组的表达谱变化，鉴定了多种与能量代谢、细胞骨架、蛋白质降解以及肿瘤抑制相关的蛋白。
青蒿素及其衍生物青蒿琥酯表现出明显的体内外抗肿瘤活性，但其抗肿瘤的分子机制并不明确。研究者采用了基因芯片技术，在转录水平解析青蒿琥酯抗肿瘤相关的基因。再将表达谱数据导入信号通路分析和转录因子分析，结果表明c-Myc/Max可能是作为肿瘤细胞应对青蒿琥酯效应基因的转录调控因子，这一结果可能指导针对不同个体采用不同的治疗策略[42]。由于银杏具有显著的诱导CYP2C19活性效应，通过研究不同CYP2C19基因型健康中国人个体，银杏与奥美拉唑（omeprazole，广泛使用的CYP2C19底物）潜在的中西药互作关系。结果显示，银杏诱导CYP2C19基因型模式依赖的奥美拉唑羟基化反应，随后降低5-羟基奥美拉唑肾脏清除率。银杏和奥美拉唑或其他CYP2C19底物共同服用可显著减弱其药效，还需更多证据支持[49]。这一研究证实个体化治疗基于人体基因差异，可能发挥更好疗效。
[参考文献]
[1]Sanger F， Air G M， Barrell B G， et al. Nucleotide sequence of bacteriophageφX174 DNA[J]. J Mol Biol， 1978， 125（2）：225.
[2]Sachidanandam R， Weissman D， Schmidt S C， et al. A map of human genome sequence variation containing 1.42 million single nucleotide polymorphisms[J]. Nature， 2001， 409（6822）：928.
[3]Venter J C， Adams M D， Sutton G G， et al. Shotgun sequencing of the human genome[J]. Science， 1998， 280（5369）：1540.
[4]Initiative A G. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana[J]. Nature， 2000， 408（6814）：796.
[5]中国药材公司.中国中药资源 [M]. 北京：科学出版社， 1995.
[6]Chen S， Xu J， Liu C， et al. Genome sequence of the model medicinal mushroom Ganoderma lucidum[J]. Nat Commun， 2012， 3（2）：177.
[7]Graham I A， Besser K， Blumer S， et al. The genetic map of Artemisia annua L. identifies loci affecting yield of the anti-malarial drug artemisinin [J]. Science， 2010， 327： 328.
[8]Yan Y， Wang Z， Tian W， et al. Generation and analysis of expressed sequence tags from the medicinal plant Salvia miltiorrhiza[J]. Sci Chin Life Sci， 2010， 53（2）：273.
[9]李滢，孙超，罗红梅，等. 基于高通量测序454 GS FLX的丹参转录组学研究[J]. 药学学报，2010， 45（4）：524.
[10]Hua W， Zhang Y， Song J， et al. De novo transcriptome sequencing in Salvia miltiorrhiza to identify genes involved in the biosynthesis of active ingredients [J]. Genomics， 2011， 98（4）：272.
[11]Yang L， Ding G， Lin H， et al. Transcriptome analysis of medicinal plant Salvia miltiorrhiza and identification of genes related to tanshinone biosynthesis[J]. PLoS ONE， 2013， 8（11）：e80464.
[12]Luo H， Zhu Y， Song J， et al. Transcriptional data mining of Salvia miltiorrhiza in response to methyl jasmonate to examine the mechanism of bioactive compound biosynthesis and regulation[J]. Physiol Plantarum， 2014， 152（2）：241.
[13]Ge Q， Zhang Y， Hua W P， et al. Combination of transcriptomic and metabolomic analyses reveals a JAZ repressor in the jasmonate signaling pathway of Salvia miltiorrhiza [J]. Sci Rep， 2015， 5： 14048.
[14]Gao W， Sun H X， Xiao H， et al. Combining metabolomics and transcriptomics to characterize tanshinone biosynthesis in Salvia miltiorrhiza [J]. BMC Genomics， 2014， 15：73.
[15]Xu Z， Peters R J， Weirather J， et al. Full-length transcriptome sequences and splice variants obtained by a combination of sequencing platforms applied to different root tissues of Salvia miltiorrhiza， and tanshinone biosynthesis [J]. Plant J， 2015， 82（6）：951.
[16]Sun C， Li Y， Wu Q， et al. De novo sequencing and analysis of the American ginseng root transcriptome using a GS FLX Titanium platform to discover putative genes involved in ginsenoside biosynthesis [J]. BMC Genomics， 2010， 11：262.
[17]Li Y， Luo H M， Sun C， et al. EST analysis reveals putative genes involved in glycyrrhizin biosynthesis [J]. BMC Genomics， 2010， 11： 268.
[18]Zhu Y J， Xu J， Sun C， et al. Chromosome-level genome map provides insights into diverse defense mechanisms in the medicinal fungus Ganoderma sinense [J]. Sci Rep， 2015， 5：11087.
[19]Xu H， Song J Y， Luo H M， et al. Analysis of the genome sequence of the medicinal plant Salvia miltiorrhiza[J]. Mol Plant， 2016， 9： 949.
[20]Liang Y， Xiao W， Hui L， et al. The genome of Dendrobium officinale， illuminates the biology of the important traditional Chinese orchid herb [J]. Mol Plant， 2014， 8（6）：922.
[21]Zhang G Q， Xu Q， Bian C， et al. The Dendrobium catenatum Lindl.genome sequence provides insights into polysaccharide synthase， floral development and adaptive evolution [J]. Sci Rep， 2016， 6： 19029.
[22]士林，何柳，刘明珠，等. 本草基因组方法学研究[J].世界科学技术，2010， 12（3）：316.
[23]宋经元，罗红梅，李春芳，等. 丹参药用模式植物研究探讨 [J]. 药学学报，2013， 48（7）：1099.
[24]Chen S L， Yao H， Han J P， et al. Validation of the ITS2 region as a novel DNA barcode for identifying medicinal plant species [J]. PLoS ONE， 2010， 5（1）：e8613.
[25]Pang X H， Song J Y， Zhu Y J， et al. Applying plant DNA barcodes for Rosaceae species identification [J]. Cladistics， 2011， 27： 165.
[26]Dolezel J， Greilhuber J， Suda J. Estimation of nuclear DNA content in plants using flow cytometry [J]. Nat Protoc， 2007， 2（9）：2233.
[27]Vu G T， Dear P H， Caligari P D， et al. BAC-HAPPY mapping （BAP mapping）： a new and efficient protocol for physical mapping [J]. PLoS ONE， 2010， 5： e9089.
[28]Microbial genetic analysis-OpGen[EB/OL]. [2016-10-16]. http：///.
[29]Bionano genomics――whole genome mapping with the irys system[EB/OL]. [2016-10-16]. http：///.
[30]Zerbino D R， Birney E. Velvet： algorithms for de novo short read assembly using de Bruijn graphs [J]. Genome Res， 2008， 18（5）：821.
[31]Chaisson M J， Pevzner P A. Short read fragment assembly of bacterial genomes [J]. Genome Res， 2008， 18（2）：324.
[32]Luo R， Liu B， Xie Y， et al. SOAPdenovo2： an empirically improved memory-efficient short-read de novo， assembler [J]. Gigascience， 2012， 1（1）：18.
[33]Huang X， Madan A. CAP3： a DNA sequence assembly program [J]. Genome Res， 1999， 9（9）：868.
[34]Lynn A M， Jain C K， Kosalai K， et al. An automated annotation tool for genomic DNA sequences using GeneScan and BLAST [J]. J Genet， 2001， 80： 9
[35]Solovyev V， Kosarev P， Seledsov I， et al. Automatic annotation of eukaryotic genes， pseudogenes and promoters [J]. Genome Biol， 2006， 7（Suppl 1）： S10.
[36]Zdobnov E M， Apweiler R. InterProScan――an integration platform for the signature recognition methods in InterPro [J]. Bioinformatics， 2001， 17（9）：847.
[37]Joslyn C A， Mniszewski S M， Fulmer A， et al. The gene ontology categorizer [J]. Bioinformatics， 2004， 20（1）：169.
[38]Kanehisa M， Goto S， Hattori M， et al. From genomics to chemical genomics： new developments in KEGG [J]. Nucleic Acids Res， 2006， 34：354.
[39]士林，孙永珍，徐江，等. 本草基因组计划研究策略[J]. 药学学报， 2010， 45 （7）， 807.
[40]陈士林， 朱孝轩， 李春芳， 等. 中药基因组学与合成生物学[J].药学学报，2012， 47 （8）： 1070.
[41]Chen S L， Song J Y， Sun C， et al. Herbal genomics： examining the biology of traditional medicines [J]. Science， 2015， 347 （6219 Suppl）： S27.
[42]Sertel S， Eichhorn T， Simon C H， et al.Pharmacogenomic identification of c-Myc/Max-regulated genes associated with cytotoxicity of artesunate towards human colon， ovarian and lung cancer cell lines [J]. Molecules， 2010， 15（4）： 2886.
[43]Scherf U， Ross D T， Waltham M， et al.A gene expression database for the molecular pharmacology of cancer [J]. Nat Genet， 2000， 24（3）： 236.
[44]Chen Y， Ouyang D S， Kang Z， et al. Effect of a traditional Chinese medicine Liu Wei Di Huang Wan on the activities of CYP2C19， CYP2D6 and CYP3A4 in healthy volunteers [J]. Xenobiotica， 2012， 42（6）： 596.
[45]S林芳，郑司浩，武拉斌，等. 基于化学成分及分子特征中药材肉苁蓉生态型研究 [J]. 中国科学： 生命科学， 2014， 44（3）： 318.
[46]Kong W， Wei J， Abidi P， et al. Berberine is a novel cholesterol-lowering drug working through a unique mechanism distinct from statins [J].Nat Med， 2004， 10（12）：1344.
[47]Pan T L， Wang P W， Hung Y C， et al. Proteomic analysis reveals tanshinone ⅡA enhances apoptosis of advanced cervix carcinoma CaSki cells through mitochondria intrinsic and endoplasmic reticulum stress pathways [J].Proteomics， 2013， 13（23/24）：3411.
表观遗传学的概念范文第5篇
[关键词] 中药质量标志物；网通虹势；药效物质；质量
[Abstract] The effect of Chinese medicine （CM） compound prescription is the combined action results of single herbs based on the basic theory of Chinese medicine， and its function embodies the characteristics of multi components， multi targets and comprehensive effects. It is difficult to study the therapeutic material， establish quality standards or determine Q-marker， so we can′t strictly monitor the quality of the whole process of CM. The identification of Q-marker has a profound influence on the whole process of the pharmaceutical engineering of CM. The scattered effect of CM multi-components is regarded as the integral action of the parent nucleus group by the metabolic rule of co-network compatibility and rainbow potential （CCRP）. The rule can be used to communicate the individual components and macro components， to reveal the metabolism of CM in organism body and basic law of information exchange， thus revealing the action law of CM on human body. Through the systematic analysis of the Q-marker′s guidance to the development of CM and its relationship with the metabolic rule of CCRP， we try to provide some ideas for the identification of Q-marker.
[Key words] Q-marker； co-network compatibility and rainbow potential； therapeutic material； quality
中药复方不仅是中医治病的物质基础，更是中医药基本理论的物质载体，中药复方的作用机制亦是实现中医药现代化的关键问题之一，中药复方疗效是建立在单味中药基础上按中医药基础理论依法遣药组方治病的结果，亦是单味中药有效成分群相互配伍，多靶点、多层次综合作用的结果，因此要阐明中药复方作用机制，首先就要回答中药多成分进入体内的代谢规律问题，阐明复方成分在体内吸收、分布、代谢、排泄诸环节的药效动力学与药物动力学规律；也就是要回答中药多成分在体内的代谢产物，这些代x产物与原成分综合构成了中药复方的物质基础，因此，只有全面考虑复方成分及其体内代谢产物才能寻找到全面准确代表中药质量的代表性物质。中药成分不是在化学实验室雕凿而是大自然鬼斧神工的产物，是由植物体的酶系统尤其是CYP450系主导而生[1]，其成分体现原植物遗传信息，体现遗传多样性，而人体同植物一样具有一套生物界遗传信息与氨基酸编码系统，故中药复方成分群进入人体，被人体的代谢酶系特别是CYP450酶系代谢，并与原植物代谢酶相似的人体内受体靶点产生诱导、抑制和不可逆等反应，按“质量作用定律”人体必然向与中药药性相同的方向移动，达到中医“热者寒治、寒者热治、虚者补之、实者泻之”的反治互补作用。前期本课题组已结合一系列中药代谢现象所提示的中药成分代谢规律与化学药品有很大不同，再结合中药原植物成分的代谢合成、成分种类、同母群生等特征，提出了中药成分群体内代谢过程可能存在“网通虹势”规律。
1 中药质量标志物的提出与应用
中药多复方用药，且单味药材中亦含有多种成分，因此，中药材及中药产品（饮片、提取物、汤剂及其他中成药制剂）的物质基础难以简单阐明，质量控制过程中指标成分难以确定，难以明确哪些成分可以较好的对中药进行表征，针对于此，刘昌孝院士等[2]提出了“中药质量标志物（Q-marker）”的新概念。该概念的提出及研究着眼于中药生产全过程的物质基础的特有、差异、动态变化和质量的传递性、溯源性，以建立中药全程质量控制及质量溯源体系，进而推动中药标准化研究工作。该概念的提出对促进中药质量标准的建立和监控具有重要指导意义。
1.1 Q-marker与中药药效物质基础研究 目前中药复方物质基础虽尚未完整阐明，但已取得较大成果，出现了如霰弹理论、药物能量理论、疾病浓缩效应、功能组分、广义成分论、体内直接物质基础及超分子化学的作用 [3-6]等一系列理论和假说，从多角度、多层次阐述了中药复方的物质基础和作用机制，促进了中药复方药效物质基础研究的发展。本课题组在前期研究中亦发现中药成分代谢规律与化学药品有很大不同，中药成分群体内代谢过程可能存在“网通虹势”规律[7]，这与中药Q-marker的概念有极大契合，原成分、代谢成分、成分之间的结合体均有可能是关系到中药质量标志的重要组成，单纯的成分-药效研究难免走入“唯成分论”的误区，而唯成分论必将脱离中医辨证论治、治则、治法、配伍规律等中医药核心内容，首先，单味中药即可视为一个小复方，若干味中药组成的复方可视为一个复杂的系统、成分众多，不同种类的成分可能对应不同的药理效应，且成分之间存在复杂的交互作用。因此，选择何种成分或药理效应为指标才能代表整方就显得尤为关键[8]。其次，复方中药间的相互作用如七情、方药中的君臣佐使关系、组方配伍的多因素性可影响中药所包含成分在体内的药代动力学过程，进而影响到中药药效物质的确定，而Q-marker的定义也明确指出：必须在中医理论指导下，体现组方配伍原则（如以君药为主，臣、佐、使药兼顾的原则）。再次，存在多峰现象（即血药浓度-时间曲线图上出现2个或多个血药浓度峰），单体药物多峰现象的出现可能是因为肠肝循环，多部位吸收，或其他再循环过程如胃肠循环、肠肠循环等[9]。
中药复方化学成分的复杂性和多样性、中药配伍的变异性和机体状态的不可预测性，给中药复方药代动力学研究带来许多问题，而中医药现代化的关键问题之一就是中药药效物质基础的研究，也是中药作用本质的核心基础，单成分药物的“成分-药效”的研究模式实难适合于中药多成分药物的物质基础研究，难以准确阐明中药复方的整体效应。张铁军等[10]通过对延胡索化学物质组辨识明确了其化学物质基础，进一步通过药效、药性及药动学研究及其物质基础的相关性分析，明确了其主要药效物质并综合研究结果，确定延胡索乙素、延胡索甲素、黄连碱、巴马汀、去氢延胡索甲素、D-四氢药根碱及原阿片碱7个生物碱为其质量标志物。因此，对于中药的物质基础研究必须在中医基础理论的指导下，从中药的基本属性、理论的基本概念、术语出发，着眼于中药复方的整体效应，并与中医辨证论治、治则、治法、“七情和合”等配伍规律、药性理论等中医药理论的核心内容相关联，结合传统的中药配伍规律，全方位综合考量，建立中药药效物质基础、作用机制及质量标志物（Q-marker）的研究策略和研究模式[11]，应明确中药质量绝非简单的可由某单一成分来表征，而应该是包含有中药原成分、代谢产物，甚至包含有成方制剂中成分-成分、成分-辅料之间的结合和交互影响，而这一交互影响可能来自于分子化学的作用，也可能来自于超分子化学的作用。
1.2 Q-marker与中药材鉴别 Q-marker的定义中指出：Q-marker具有生物学效应的特异性和来源的溯源性，中药质量的源头是中药材，道地药材是中医药伟大宝库的重要物质基础，然而自古以来中药的多源性即一直存在，多源中药的基源多是同科同属近缘植物，但也有同科不同属或不同科的，其近缘性基源的关系决定了它们的主要化学成分的近似性，进而为它们作为同一中药应用奠定了物质基础。但多源中药各品种所含有的化学成分构成基本不可能完全相同，但在临床实践中长期作为同一药物应用，并无差异，因此，对于Q-marker的确定，决不能简单的归结为某一或某些化学成分，而应将之置于一个整体进行全面的考虑。
目前，中药鉴别极大程度的借鉴了现代技术和仪器的发展，如陈士林[12]构建的以ITS2（internaltranscribed spacer，ITS2）为主体序列，pabA-trnH为辅助序列的植物类中药鉴定体系和以COⅠ（cytochrome C oxidase subunit Ⅰ）为主，ITS2 为辅的动物类中药鉴定体系已被2015年版《中国药典》收载，但古人留下的中药材鉴别时的感官经验仍然是进行中药材质量确定时的重要方法和手段，传统的中药经验鉴别主要根据药材的外观性状（形、色、气、味） 直接利用感官，即看、摸、闻、尝等方法，必要时加用水试与火试法来达到鉴别的目的。20世纪90年代生药学家谢宗万先生[13]提出“辨状论质”理论，即根据中药外观性状所表现出来的特征，判断中药的真伪优劣，是中药经验鉴别的精髓，其实质是中药的外观性状与内在质量具有相关性。中药外观性状不仅是药材的外形特点，也是药材内部组织结构及其所含化学成分的外在表现[14]。种质资源的遗传多样性即种内所有生物个体全部基因和染色体变异的总和，而其遗传多样性是影响中药材质量的根本内在机制，生物个体的基因突变产生各种代谢酶基因，而多数由代谢酶产生的次生代谢产物是该中药材的有效成分。种质资源决定了中药材的形态结构、生长发育、生理代谢和多层次的变异将直接影响中药材质量。因此，在确定Q-marker时，也应该将中药材的外观特征纳入考量范围。中药鉴定方法尽管历经千年，并解决了不少第一线质量把关的问题，但反映社会发展和环境改变的鉴定指标尚未建立起来。中药鉴定面临众多新出现的课题，如栽培和野生药材的鉴定、近缘品种与栽培杂交种的鉴定、中药饮片的鉴定等[15]，而这些问题也将随着Q-marker理论的完善和发展得以解决。
1.3 Q-marker与中药制药工程 刘昌孝院士指出：中药Q-marker 概念的提出是针对中药有效成分的次生代谢物来源的生物学属性、制造过程有效物质传递和从药材-中间产品-成药的全程质量控制及质量溯源及中医药理论（如药性的物质基础）、中药配伍理论（如君-臣-佐-使）等中医药理论体系特点，整合多学科知识，提出核心质量概念，以此统领中药质量研究，进一步密切中药有效性-物质基础-质量控制标志性成分的关联度，以有利于建立中药全程质量控制及质量溯源体系。因此，中药Q-marker除与中药资源、中药饮片的炮制加工有关以外，与中药复方配伍、制剂处方设计及制剂加工等中药制药全过程也密切相关，在进行中药Q-marker研究时，决不能忽视在采收、储存、运输、炮制加工、提取、制┑热过程中化学成分的迁移与变化。GMP制度的建立即为扭转药品生产质量管理从事后把向事前控制转变，从管结果向管过程转变，对于中药制药领域，更加不能忽视在中药制药生产过程中，成分随着加工过程进行而可能发生的一系列变化。并且来源于大自然的中药材，其化学物质的一致性较低，同一批购进的中药材，不同批次进行提取，所获得的提取物物质组成不一定完全一样，同样在投料、组方一致的情形下按确定的工艺流程进行药品生产，也不能保证获得的成品药化学组成完全一致，也就是说中药制药过程存在批间质量不稳定的情况，但药效却不见得有异，因此单纯的以化学成分作中药制药过程中的Q-marker是不够的，而必须建立全面的合理的质量一致性评价方法，实际上，单纯依赖检验，质量合格并不能代表质量可靠，如在2015年爆发的因企业擅自改变银杏叶提取物生产工艺所引发行业轩然大波的“银杏叶事件”，涉及购买问题银杏叶提取物的制剂生产企业达40余家，其中也不乏大型制药企业，国家食品药品监督管理总局为此开展了银杏叶药品和保健食品专项治理行动，旨在彻底净化银杏叶药品市场，严厉打击各种违法、违规行为，维护公众用药安全[16]。该事件的源头就是某企业采用稀盐酸作为溶剂替代乙醇，更容易将银杏叶中的杂质成份银杏酸清除出来，更容易达到国家标准中对银杏酸的含量要求。但该事件从另一个侧面进一步反映了中药Q-marker决不能简单的依赖某些成分或某个成分，如不从根本上解决中药Q-marker的确定，类似于这种擅自改变工艺以获得更大利益的不良事件就难以杜绝。也启示人们对于药品质量的监管要建立从成份含量管理到方法控制的全过程监管。换句话说仅依靠提高标准、改进检验方法并不能确保药品质量。刘昌孝院士指出：中药Q-marker是存在于中药材、饮片、提取物、单方或复方制剂中与功效有关的物质，但该物质不能被简单的理解为化学成分，而应该是全面的反应重要功效的特征综合。针对于此，程翼宇教授[17]提出：中药制药过程管理应将原料质控、过程控制、过程管理、药品检验、临床安全性监测等系统“五体合一”，并将过程检测、GMP 等数据库信息融合，组网建立制造全流程信息链，消除“信息孤岛”，解决信息碎片化所带来的过程管控失措问题，为全面掌控生产制造过程提供强大的信息保障，方可攻克中药制药过程无法有效管控的难关。
事实上，就笔者的理解，中药Q-marker是一个涵盖很广的概念，对应于中药的不同阶段，采用不同的表达方式来表达似乎更为恰当，如在中药资源领域，Q-marker应纳入中药材外观性状；炮制加工的过程中，除成分检测以外，原药材质量、炮制方法、炮制火候等应属于Q-marker的范畴；而在中药制药领域，则应纳入原料、过程的管理和控制，同时亦需要兼顾临床安全性检测等方面的考量。
2 “网通虹势”网络代谢规律与中药质量标志物
中药代谢的“网通虹势”规律系贺福元[7，18]提出，该学说认为：人体内存在于自然界可沟通的代谢酶网络系统，中药各成分在同一网络体系相互连通、交流、传递，单一成分可代谢转变为多种代谢产物，原成分及代谢成分呈相似的动力学模型，中药同一母核多衍生物成分在体内产生相似的代谢产物与药效，同一母核的有效成分衍生物群在人体内可以相互抑制、加速及转化，其代谢网络相容相通，即“网通”；体内各成分代谢量变受各成分体内代谢酶的势（数量、浓度和代谢平衡常数）决定，如同虹吸原理，尽管水从不同入水口进入水网，但整个水位一致，中药多成分进入体内后，就相当于向整个水网的多个入水口加入不同物质，有比水轻的，也有比水重的，整个入口处的水位可以不一样，但各入口处所潜在的势能（或入口处至网中心的压力） 是相等的，因此中药多成分的量变按“虹势”规律，由总室模型有规律进行变化，即“虹势”。
2.1 “网通虹势”与中药药效物质研究 中药为多成分体系，药物成分进入体内产生代谢产物，药效的产生由原成分和/或代谢产物决定。因此中药药效物质研究决不能忽视体内代谢产物的作用，而单成分药物在体内的代谢过程较为清楚，而中药多成分集合体在体内代谢的网络动力学过程研究是中药药效物质研究的中药组成部分。中药成分系原植物次生代谢的产物，而人类也是自然界的生物体，也遵循自然界生物体代谢的基本规律，因此，对中药药效物质的研究，也应将中药在体内的代谢过程纳入研究的过程，亦即中药成分在体内的代谢产物也是中药药效物质的中药组成部分。自然界的生物体之间存在相通的巨大代谢酶与效应网络系统[19]，这一网络系统由系列酶系主导，原成分进入人体后，易被与原植物成分相似代谢途径酶系代谢和产生反治互补的生物效应，最终促进人体生物代谢向与中药药性相似的方向平衡移动。单一成分可以代谢转变为多种代谢产物，多成分在体内代谢也相互调控。黄连的药根碱、黄连碱、巴马汀等成分都是以小檗碱型为母核的衍生物；口服药根碱，从尿液进行了HPLC-MS测定，共检测到7种Ⅰ相代谢产物，为原药的脱氢、脱甲基、羟基化代谢物；还有11种Ⅱ相代谢产物，如甲基化合物和葡糖醛酸化合物[20]，人口服小檗碱，从其尿液分离并鉴定了Ⅰ相7个代谢产物[21]，这些代谢产物的结构母核与原药材的成分群母核也为小檗碱型。这些研究表明中药同一母核多衍生物成分在体内产生相似的代谢产物与药效。不同母核的代谢网络相差较大，传递较远，药效也相差较大，故转化和调控周期较长，中药复方各药材药性、药效可通过配伍调控。
所谓质量是指能够反映实体满足明确或隐含需要的能力的特性总和，而中药组方配伍规律的多样性使一味中药可以用于多种病证，因此，对于中药质量的特征亦即其药效物质难以通过某成分或某效应简单代替，在确定中药Q-marker时，必不能忽视其体内代谢过程，而应注重中药Q-marker的溯源性。将中药资源、中药炮制、中药制剂过程等作为一个整体进行研究，同时不能忽视中药成分体内代谢“网通性”规律与中药Q-marker的关系，从而保证中药药效物质研究和Q-marker确定的准确性和代表性。
2.2 “网通虹势”与中药材质量稳定性 前已述及，中药Q-marker与中药材鉴别的关系密切，而网通虹势规律亦与中药材质量稳定息相关。在前期研究中发现指纹图谱的邻近的特征指纹峰（代谢衍生物）的药物动力学数学模型较相似，而远离的特征指纹峰成分的动力学数学模型相差较大；中药有效成分群的平均药效强度、药效时间与药效时间方差在一定时间是一固定常数。唐宇等[22]根据据遗传多态性、生物物理学燃烧焓原理，结合指纹图谱的信息熵，对不同产地的大黄进行了研究，其研究发现：不同产地大黄的的指纹图谱有较大差异，浸出物指纹图谱也波动较大，成分种类与构成差别明显，存在明显的植物遗传多态、成分多样性，不同产地药材代谢产生的成分种类不同，反映出了中药材的“道地性”；但不同产地大黄的醇浸出物有稳定的燃烧焓、信息熵及生物熵，提示中药同母核群生成分在代谢时尽管单个成分的含量可以变化，但成分整体有相似的代谢网络动力学规律，当代谢途径、方式、方法、始终端确定后，单位整体的生物能（化学势）变化是稳定的，故在网络代谢中的焓变是稳定的，所产生的药效也有规律可循，多成分之间代谢体现“虹势性”。最终得出了“虹势性”控制宏观的中药材代谢作用方向，“道地性”调节在宏观作用下的精确作用，中药质量是微观各单成分质量与宏观各成分组合模式质量统一的结论。杜玉然等[23]对全国13个不同产地红花的研究亦证明了这一结果，因此中药材质量稳定性与中药成分间的“虹势性”关系密切。
因此，在进行中药Q-marker确定时，应综合考虑中药材“道地性”与“虹势性”的有机统一，保证中药Q-marker兼顾中药材质量稳定性，以确保中药Q-marker能全面反映中药质量。
3 讨论
中药复方多成分体系的作用体现多成分、多靶点、综合效应的特点，其物质基础研究不易，质量标准难以建立，质量标志物难确定，造成无法严格监控中药加工全过程中的质量，难以确定中药有效性-物质基础-质量控制标志性成分之间的关联，进而使中药形成及生产质量不稳定，给中药现代化造成了巨大的困_，因此，Q-marker的确定系异常重要的工作，而研究中药与生物体的“网通虹势”代谢规律，能化繁为简，可将中药多成分的零散作用规律视为同母核群体的整体作用，阐明单成分代谢与多成分代谢差异与作用异同问题，沟通微观单成分个体与宏观成分群整体，揭示中药在生物体内代谢物质、信息交流基本规律，可为揭示中药复方对人体的作用规律，确定中药Q-marker奠定基础。
在中药复方体内外代谢网络动力学研究基础上，利用适应中药复方多成分体系的药物动力学数学模型探讨中药复方与人体作用的“网通虹势”规律，分析中药复方成分及代谢产物在体内作用规律，可吻合其多成分、多靶点、综合作用的特点，通过网络动力学参数的求算，阐明中药复方作用过程中的关键指标性成分，可将中药网络代谢与系统生物学的代谢组学结合，研究有效成分群”网通虹势”代谢规律，揭示中药代谢网络动力组学规律，揭示生物体之间的网络代谢普遍规律，揭示中药作用的物质基础：有效成分及代谢物种类、构成比及动力学规律，将对阐明中药复方物质基础，确定中药Q-marker，进而分析药材种植、采收、炮制、贮藏、运输、制药过程等对中药质量的影响奠定基础，也将大大推动中药产业现代化的进程。
[参考文献]
[1] 张轶雯， 方罗， 郑小卫， 等. 细胞色素P450酶的表观遗传学调控及研究进展[J]. 中国现代应用药学， 2017， 34（2）： 293.
[2] 刘昌孝，陈士林，肖小河，等.中药质量标志物（Q-marker）：中药产品质量控制的新概念[J].中草药，2016，47（9）：1443.
[3] 贺福元，周逸群，邓凯文，等. 超分子化学对中医药理论的特殊影响[J]. 中国中药杂志，2014，39（8）：1534.
[4] 吴水生，郭改革，李长伟，等.中药复方“疾病缩减效应”假设及其验证实验[J].浙江中医药大学学报，2010，34（1）：86.
[5] 徐彬，永刚，吴金虎.中药复方药效物质基础研究的概述[J].医学综述，2014，20（1）：126.
[6] 杜武勋，朱明丹，肖学风，等.复方中药药效物质基础研究及其今后应该注意的问题[J].时珍国医国药，2013，24（3）：692.
[7] 贺福元，周宏灏，罗杰英，等. 谨防中药材GAP忽视生物遗传多态性规律的研究[J]. 湖南中医药大学学报，2007，27（8）：205.
[8] 张英丰，董宇，朱晓新. 中药复方药代动力学研究的方法与思考[J]. 中国天然药物，2008，6（5）：321.
[9] 沈群，罗佳波.中药复方药代动力学研究的特殊性[J].中成药，2004，26（8）： 665.
[10] 张铁军，许浚，韩彦琪，等. 中药质量标志物（Q-marker）研究：延胡索质量评价及质量标准研究[J]. 中草药，2016，47（9）：1458.
[11] 张铁军，许浚，申秀萍，等. 基于中药质量标志物（Q-marker）的元胡止痛滴丸的“性-效-物”三元关系和作用机制研究[J]. 中草药，2016，47（13）：2199.
[12] Chen S， Pang X， Song J， et al. A renaissance in herbal medicine identification： from morphology to DNA [J].Biotechnol Adv， 2014， 32（7）： 1237.
[13] 谢宗万.中药品种传统经验鉴别“辨状论质”论[J].时珍国医国药，1993，5（3）：19.
[14] Zhao Z Z，Liang Z T，Guo P. Macroscopic identification of Chinese medicinal materials： traditional experiences and modern understanding[J].J Ethnopharmacol，2011，134（3）：556.
[15] 赵中振，陈虎彪，肖培根，等. 传统中药鉴定学科的继承与创新[J]. 中国中药杂志，2015，40（17）：3385.
[16] 杨扬，周斌，赵文杰.“银杏叶事件”的分析与思考[J]. 中草药，2016，47（14）：2397.
[17] 程翼宇，钱忠直，张伯礼.创建以过程管控为核心的中药质量控制技术体系[J]. 中国中药杂志，2017，42（1）：1.
[18] 贺福元，邓凯文，刘文龙，等. 中药复方对人体作用本质：“网通虹势”的多重遗传谱效动力学[J]. 中国实验方剂学杂志，2011，17（2）：240.
[19] Thomas Lengauer.生物信息学――从基因组到药物[M]. 郑珩，王非译.北京：化学工业出版社， 2006.
[20] 韩凤梅，朱明明，陈怀侠，等，液相色谱-串联电喷雾离子阱质谱法鉴定大鼠尿液中药根碱代谢物[J].药学学报，2006，41（9）：846.
[21] 邱峰，朱志勇，朴淑娟，等.人口服盐酸小檗碱后尿液中代谢产物的研究[J].中国医学研究与临床，2005，3（8）：6.
