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[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。
【Abstract】Genomics is a young discipline which is born with the successful implementation of the human genome project， and its content is involved in the leading edge and hot spot of the life science research. Learning genomics has a profound impact on enriching and improving the students’ knowledge system and cultivating students’ innovative consciousness and ability. After several years of teaching practice， from the teaching content， teaching methods to make a reasonable improvement， in order to improve the quality of teaching， and strive to cultivate high？鄄quality professionals.
【Key words】Genomics； education； innovation
【基金项目】湖南农业大学课程质量标准建设遴选项目《基因组学》和湖南农业大学教改项目B2015021资助。
【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0233-02
伴随人类基因组计划，一门新兴的生命科学前沿学科基因组学（ Genomics）应运而生。不同于以往的分子遗传学以“单个”基因为研究对象的思路，基因组学从物种的整个基因组入手来研究基因的结构、功能和进化[1]。经过近20年的迅速发展，基础基因组学研究已经形成了结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学三个不同的领域[1-3]，还衍生出了转录物组、蛋白质组、代谢组、甲基化组等一系列组学研究的分支，引发了生物科学研究的系统观热潮[2]。
目前，基因组学已成为高校生物学课程体系中的重要组成部分，越来越多的高校都将其设为生物学相关专业的必修课或选修课。课程的开设不仅有利于学生了解生命科学发展的前沿，还能为学生研究生阶段开展相关课题提供研究思路和背景知识。然而，基因组学发展迅速，如何使教学紧跟学科发展的步伐，让学生在有限的课堂教学中既能掌握基因组学的基础知识，又能及时了解最新的基因组学发展技术，成为教学中的难点。因此，教师需要不断更新教学内容，紧跟学科发展的步伐，以增强学生的学习兴趣，提高学习的主动性。此外，基因组学与其他学科具有很强的交叉性，教师授课过程中既要避免内容的重复，又要能深入浅出地把内容抽象、过程复杂的研究方法条理清晰、简单明了地传授给学生。针对基因组学课程的上述特点以及这几年的教学实践，笔者从基因组学教学内容和教学手段进行了调整和优化，探索了适合本门课程的教学方法和模式，以期提高基因组学的教学效果，以适应新形势下素质教育的需要。
一、选择合适的教材
我国许多高校的生物信息、生物技术等相关专业课程设置中都将基因组学设为专业课或选修课，如华中科技大学、暨南大学、扬州大学等。我校也在学生先修遗传学、分子生物学和生物信息学的基础上，开设基因组学课程作为生物信息学的一门专业课，共设置40课时。经过了解，国内广泛使用的基因组学教材主要有两本，即国内复旦大学杨金水教授编著的《基因组学》（2002年第一版，2007年第二版，2013年第三版）和英国曼彻斯特大学理工学院TA.Brown教授编著的《Genomes》（1999年版、2002年版、2006年版）。根据课程需要和课时数，我校自2005年生物信息学专业开设以来一直选择结构体系比较完整、内容相对简洁的杨金水编著的《基因组学》系列版本为主要教材。同时选用袁建刚等翻译的、BrownTA编著的《基因组》及其英文版原著作为参考，补充杨金水编著的《基因组学》，部分内容叙述不够详尽的不足。该教材和参考书都更新及时，每隔数年就会补充基因组学研究领域的新成果和新技术然后再版，便于跟踪学科前沿，掌握最新研究动态。参考书中英文对应，可方便学生对专业名词的理解和把握，也有助于学生提高对英文文献的阅读能力。
二、构建系统的教学内容
基因组学教学内容与遗传学、分组生物学和生物信息学课程的内容相互联系、相互渗透。因此课程内容既要避免与现行课程中重复的部分，又突出本学科的特有内容，为此我们在与其他相关课程教师充分沟通的情况下进行了授课内容的安排。基因组学的知识结构可以分为结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学三部分。结构基因组学是基因组研究的前提，是功能基因组学和比较基因组学内容理解和掌握的基础，其主要目标是通过基因组测序获得基因组序列。而基因组测序的前提是对基因组的基本结构和组成进行了解，然后在此基础上进行基因组作图，包括遗传图谱、物理图谱的制作，最后进行基因组的测序与序列组装。这部分属于基因组学课程重点学习的内容，安排20个课时，主要涉及选用教材的前四章内容[4]。功能基因组学，被称为后基因组学，它利用结构基因组学研究所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能。这部分内容是目前发展最快的研究重点[5]，涉及很多关于研究基因功能的实验方法，因此也是课程的难点。研究内容包括基因组序列中基因功能的发现、单个基因功能的确定、基因表达分析及突变检测和基因与基因之间的相互作用。本门课程中安排12课时学习该部分内容，主要涉及教材的第五章、第六章、第十章。教材的第七章和第十一章关于基因组的复制与转录调控的内容，分子生物学中有过讲述，在基因组学的课程中不再重复。第八章和第九章关于转录组和蛋白组的内容另开设有相关的课程，也不在基因组学课程的讲述范围内。比较基因组学是基于结构基因组的基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。通过对不同亲缘关系物种的基因组序列进行比较，能够鉴定出编码序列、非编码调控序列及给定物种独有的序列。而基因组范围之内的序列比对，可以了解不同物种在核苷酸组成、同线性关系和基因顺序方面的异同，进而得到基因分析预测与定位、生物系统发生进化关系等方面的信息。这部分内容安排6课时，主要涉及教材的第十二至十四章的内容。这样合理安排授课内容，使学生在头脑中建立起一个从结构基因组学研究到功能基因组学研究再到比较基因组学研究的完善的知识体系。
此外，基因组学发展迅速，除了三大部分基本内容外还在课堂上及时补充和完善一些最新的研究成果。比如可以通过查询Science、Nature 和Cell等顶级期刊，了解基因组学的最新研究进展和方法，使学生及时把握学科发展脉络和方向，把基因组学课程真正建设成为一门开阔学生视野的课程。另外，课堂上可以讨论一些社会上的热点话题或者普及一些与生活息息相关的知识，如精准医疗等。还可以讲述一些相关的故事，如诺贝尔奖得主的一些鲜为人知的故事。一些相关知识的应用，比如如何利用分子标记进行亲子鉴定及法医鉴定等也可以再课堂上适时的插入。这些内容可以极大地激发学生的兴趣，拓宽学生的视野，提高学生学习的积极性。
三、多媒体与板书相结合教学
多媒体教学具有图文并茂的效果，可以把抽象、微观、枯燥、复杂的内容形象的展示出来。但多媒体课件播放比板书讲解速度快，如果学生的思维无法跟上，则会大大地降低教学效果。传统的板书教学则可以将知识更加系统地呈现给学生，更利于师生间的交流[6]。但板书教学比较耗时，尤其对于高等教育中较多的授课内容，完全采用板书会影响教学进度。此外，对于图像和图形的呈现，板书教学也无法胜任。因此，可采用“多媒体+板书”相结合的授课方式。授课提纲板书在黑板上，使学生整堂课都可以看见，让学生对学习内容有整体的印象。多媒体课件解释不清的问题，及时用板书补充。重点难点内容，也要结合板书详细讲解，同时借助多媒体手段将所需要的图片、动画和视频插入课件，按照课程的需要播放，提高课堂教学效果。
四、组织学生参与科学研究
基因组学课程内容涉及许多研究方法和技术，部分经典的实验技术在分子生物学与遗传学中有过介绍，但一些新发展起来的技术上述课程学习的过程中没有涉及。有些技术原理深奥、抽象，难以理解，最好的方法是让学生亲自参与实验[7-9]。教师可组建基因组学科研兴趣小组，让学生利用课外时间参与老师的科研课题。学生通过亲自参与基因组学相关实验，可以深刻理解这些技术的原理，并掌握具体操作技术，将理论知识与实践相结合，在帮助教师完成科研工作的同时培养了学生对科研工作的热情，为学生进一步考研深造打下基础。
五、应用灵活多样的考核方式
科学、合理的考核方式有助于提高教学质量、培养创新型和应用型人才。传统的考核方式主要是闭卷考试，容易使学生把考试当成最终的学习目标，不利于培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。因此，改革教学考核方式的非常重要。考核除了对学生进行基本理论知识考试外，在成绩评定标准上适当加大对学生动手能力和综合技能的考核比重，增加平时成绩的考核，条件允许的话还可以设置一些小实验在实验课的课堂上让学生进行计算机模拟分析，充分激发学生的学习兴趣。此外，还可以把科研过程中的一些小项目交给学生，让学生查阅资料后根据所学内容进行试验设计，教师进行指导修改后再反馈给学生。学生的平时成绩最终按30%的比例计入最终成绩。科学合理地应用上述方法可以很大程度改变学生的学习目标和学习方式，培养学生的创新能力和实践能力。
经过几年的实践，我们的教学改革获得了大多数学生的好评与认可。在今后的教学中，随着教师教学经验的积累和教学水平的进一步提高，将会不断完善基因组学教学工作。基因组学发展迅速，如今已经渗透到生命科学研究的各个领域，尤其是近几年基因组学研究领域的重大成果层出不穷，对生命科学的发展产生了极大的推动作用。针对基因组学教学过程中存在的主要问题[10，11]，在构建系统课程内容体系的同时，还应根据农林院校的专业特点，不断改革和探索课程的教学方法，加强教师队伍建设，不断完善理论与实践相结合的教学模式，为推进和实现高素质的创新型和应用型人才培养目标奠定基础。
参考文献：
[1]段民孝.基因组学研究概述[J].北京农业科学，2001（2）：6-10.
[2]解涛，梁卫平，丁达夫.后基因组时代的基因组功能注释[J].生物化学与生物物理进展，2000，27（2）：166-170.
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[4]杨金水.基因组学[M].第3版.北京：高等教育出版社，2013.
[5]冷方伟.中国基因组学研究进展与发展态势[J].生物化学与生物物理进展，2010，37（12）：1261-1264.
[6]韩志仁，裴玉华，胡承波.试论多媒体技术与传统板书教学[J].科技信息，2008（10）：32.
[7]欧阳立明，肖君华，张惠展.过程启发式教学在基因组学课程中的实践[J].微生物学通报，2006，33（4）：180-183.
[8]张胜利，李东方，张胜光.基因组学教学实践与教学模式创新[J].考试周刊，2010（20）：198-199.
基因组学推动的创新中，最引人瞩目的领域是医学。“个性化医疗”进展迅速，患者的DNA图谱被转化为更加个性化、具预测性和预防性的治疗方案。
目前，对常见疾病――包括一些医疗、经济和社会负担巨大的疾病，如癌症、糖尿病、心血管疾病和肥胖等――相关的基因组识别研究已开始让医生能够利用患者DNA信息来指导临床治疗。研究者正在识别影响药物对人体作用的基因变异，让更安全、更有效的用药管理来遏制病痛和治疗某些癌症以及心血管和精神疾病。
去年，美国启动了精确医疗计划（Precision Medicine Initiative），该计划将当前的这些进展往前再推进一步，进行成人和幼儿癌症靶向药物创新实验，引入个性化混合疗法，并深化对抗药性的认识。在长期，计划的目标是建立一支拥有一百万以上志愿者的研究队伍，他们共享基因组数据、生物样本和生活方式信息，从而形成大量人类疾病精确医疗的基础。
但医疗绝不是基因组学推动的创新革命的唯一领域。基因组学在其他领域也显示着改变和发展的趋势，其中不少已经证明具有有助于解决某些全球性问题的潜力――如在全球人口高速增长、预计35年后达到96亿人的背景下，确保粮食安全和保护环境。
利用基因组学遴选高价值品种，让农民和粮食业总体拥有了生产更多更好粮食的工具。比如，东南亚稻米如今已能抵御洪水，牛肉、奶制品和生猪产量有所提高，迅速发展的渔业和水产养殖业受益于产量更高、抗病和抗压能力更强的物种。
此外，基因组学还能提供关于生态系统中生物多样性和互动作用的详细信息，从而推动创新性环境保护战略的开发。
[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。
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基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响麻醉药物的作用。
基因多态性对药代动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面。与麻醉药物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。基因多态性对药效动力学的影响主要是受体蛋白编码基因的多态性使个体对药物敏感性发生差异。
苯二氮卓类药与基因多态性：咪唑安定由CYP3A代谢，不同个体对咪唑安定的清除率可有五倍的差异。地西泮是由CYP2C19和CYP2D6代谢，基因的差异在临床上可表现为用药后镇静时间的延长。
吸入麻醉药与基因多态性：RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应。
神经肌肉阻滞药与基因多态性：丁酰胆碱酯酶是水解琥珀酰胆碱和美维库铵的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，与用药后长时间窒息有关。
镇痛药物与基因多态性：μ-阿片受体是阿片类药的主要作用部位，常见的基因多态性是A118G和G2172T。可待因和曲马多通过CYP2D6代谢。此外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。
局部麻醉药与基因多态性：罗哌卡因主要由CYP1A2和CYP3A4代谢。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A，可能影响药物代谢速度。
一直以来麻醉科医生较其它专业的医疗人员更能意识到不同个体对药物的反应存在差异。麻醉药的药物基因组学研究将不仅更加合理的解释药效与不良反应的个体差异，更重要的是在用药前就可以根据病人的遗传特征选择最有效而副作用最小的药物种类和剂型，达到真正的个体化用药。
能够准确预测病人对麻醉及镇痛药物的反应，一直是广大麻醉科医生追求的目标之一。若能了解药物基因组学的基本原理，掌握用药的个体化原则，就有可能根据病人的不同基因组学特性合理用药，达到提高药效，降低毒性，防止不良反应的目的。本文对药物基因组学的基本概念和常用麻醉药的药物基因组学研究进展进行综述。
一、 概述
二十世纪60年代对临床麻醉过程中应用琥珀酰胆碱后长时间窒息、硫喷妥钠诱发卟啉症及恶性高热等的研究促进了药物遗传学（Pharmacogenetics）的形成和发展，可以说这门学科最早的研究就是从麻醉学开始的。
药物基因组学(Phamacogenomics)是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系。它是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并由此开发新的药物和用药方法的科学。
1959年Vogel提出了“药物遗传学”，1997年Marshall提出“药物基因组学”。药物基因组学是药物遗传学的延伸和发展，两者的研究方法和范畴有颇多相似之处，都是研究基因的遗传变异与药物反应关系的学科。但药物遗传学主要集中于研究单基因变异，特别是药物代谢酶基因变异对药物作用的影响；而药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传学标志，药物代谢靶受体或疾病发生链上诸多环节，所以研究领域更为广泛[1，2，3]。
二、基本概念
1．分子生物学基本概念
基因是一个遗传密码单位，由位于一条染色体(即一条长DNA分子和与其相关的蛋白)上特定位置的一段DNA序列组成。等位基因是位于染色体单一基因座位上的、两种或两种以上不同形式基因中的一种。人类基因或等位基因变异最常见的类型是单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)。目前为止，已经鉴定出13 000 000多种SNPs。突变和多态性常可互换使用，但一般来说，突变是指低于1%的群体发生的变异，而多态性是高于1%的群体发生的变异。
2．基因多态性的命名法：
(1)数字前面的字母代表该基因座上最常见的核苷酸(即野生型)，而数字后的字母则代表突变的核苷酸。例如：μ阿片受体基因A118G指的是在118碱基对上的腺嘌呤核苷酸(A)被鸟嘌呤核苷酸(G)取代，也可写成118A/G或118A>G。
(2)对于单个基因密码子导致氨基酸转换的多态性编码也可以用相互转换的氨基酸的来标记。例如：丁酰胆碱酯酶基因多态性Asp70Gly是指此蛋白质中第70个氨基酸－甘氨酸被天冬氨酸取代。
三、药物基因组学的研究内容
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。这些基因编码蛋白大致可分为三大类:药物代谢酶、药物作用靶点、药物转运蛋白等。其中研究最为深入的是麻醉药物与药物代谢酶CYP45O酶系基因多态性的相关性[1，2，3]。
基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响药物作用，对于临床较常用的、治疗剂量范围较窄的、替代药物较少的麻醉药物尤其需引起临床重视。
（一）基因多态性对药物代谢动力学的影响
基因多态性对药物代谢动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面[3，4，5，6]。
1、药物代谢酶
与麻醉药物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。
（1）细胞色素P-450（CYP45O）
麻醉药物绝大部分在肝脏进行生物转化，参与反应的主要酶类是由一个庞大基因家族编码控制的细胞色素P450的氧化酶系统，其主要成分是细胞色素P-450（CYP45O）。CYP45O组成复杂，受基因多态性影响，称为CYP45O基因超家族。1993年Nelson等制定出能反应CYP45O基因超家族内的进化关系的统一命名法：凡CYP45O基因表达的P450酶系的氨基酸同源性大于40%的视为同一家族（Family），以CYP后标阿拉伯数字表示，如CYP2；氨基酸同源性大于55%为同一亚族（Subfamily），在家族表达后面加一大写字母，如CYP2D；每一亚族中的单个变化则在表达式后加上一个阿拉伯数字，如CYP2D6。
（2）丁酰胆碱酯酶
麻醉过程中常用短效肌松剂美维库铵和琥珀酰胆碱，其作用时限依赖于水解速度。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是水解这两种药物的酶，它的基因变异会使肌肉麻痹持续时间在个体间出现显著差异。
2、药物转运蛋白的多态性
转运蛋白控制药物的摄取、分布和排除。P-糖蛋白参与很多药物的能量依赖性跨膜转运，包括一些止吐药、镇痛药和抗心律失常药等。P-糖蛋白由多药耐药基因（MDR1）编码。不同个体间P-糖蛋白的表达差别明显，MDR1基因的数种SNPs已经被证实，但其对临床麻醉的意义还不清楚。
（二）基因多态性对药物效应动力学的影响
麻醉药物的受体（药物靶点）蛋白编码基因的多态性有可能引起个体对许多药物敏感性的差异，产生不同的药物效应和毒性反应[7，8]。
1、蓝尼定受体-1（Ryanodine receptor-1，RYR1）
蓝尼定受体-1是一种骨骼肌的钙离子通道蛋白，参与骨骼肌的收缩过程。恶性高热（malignant hyperthermia，MH）是一种具有家族遗传性的、由于RYR1 基因异常而导致RYR1存在缺陷的亚临床肌肉病，在挥发性吸入麻醉药和琥珀酰胆碱的触发下可以出现骨骼肌异常高代谢状态，以至导致患者死亡。
2、阿片受体
μ-阿片受体由OPRM1基因编码，是临床使用的大部分阿片类药物的主要作用位点。OPRM1基因的多态性在启动子、内含子和编码区均有发生，可引起受体蛋白的改变。吗啡和其它阿片类药物与μ-受体结合而产生镇痛、镇静及呼吸抑制。不同个体之间μ-阿片受体基因的表达水平有差异，对疼痛刺激的反应也有差异，对阿片药物的反应也不同。
3、GABAA 和 NMDA受体
γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体是递质门控离子通道，能够调节多种麻醉药物的效应。GABAA受体的亚单位（α、β、γ、δ、ε和θ）的编码基因存在多态性（尤其α和β），可能与孤独症、酒精依赖、癫痫及精神分裂症有关，但尚未见与麻醉药物敏感性有关的报道。N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的多态性也有报道，但尚未发现与之相关的疾病。
（三）基因多态性对其它调节因子的影响
有些蛋白既不是药物作用的直接靶点，也不影响药代和药效动力学，但其编码基因的多态性在某些特定情况下会改变个体对药物的反应。例如，载脂蛋白E基因的遗传多态性可以影响羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂（他汀类药物）的治疗反应。鲜红色头发的出现几乎都是黑皮质素-1受体（MC1R）基因突变的结果。MC1R基因敲除的老鼠对麻醉药的需求量增加。先天红发妇女对地氟醚的需要量增加，热痛敏上升而局麻效力减弱。
四、苯二氮卓类药与基因多态性
大多数苯二氮卓类药经肝脏CYP45O代谢形成极性代谢物，由胆汁或尿液排出。常用的苯二氮卓类药物咪唑安定就是由CYP3A代谢，其代谢产物主要是1-羟基咪唑安定，其次是4-羟基咪唑安定。在体实验显示不同个体咪唑安定的清除率可有五倍的差异。
地西泮是另一种常用的苯二氮卓类镇静药，由CYP2C19和CYP2D6代谢。细胞色素CYP 2C19的G681A多态性中A等位基因纯合子个体与正常等位基因G纯合子个体相比，地西泮的半衰期延长4倍，可能是CYP2C19的代谢活性明显降低的原因。A等位基因杂合子个体对地西泮代谢的半衰期介于两者之间。这些基因的差异在临床上表现为地西泮用药后镇静或意识消失的时间延长[9，10]。
五、吸入麻醉药与基因多态性
到目前为止，吸入麻醉药的药物基因组学研究主要集中于寻找引起药物副反应的遗传方面的原因，其中研究最多的是MH。药物基因组学研究发现RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。
与MH不同，氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应，但其发生机制还不十分清楚 [7，11]。
六、神经肌肉阻滞药与基因多态性
神经肌肉阻滞药如琥珀酰胆碱和美维库铵的作用与遗传因素密切相关。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是一种水解这两种药物的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，其第70位发生点突变而导致一个氨基酸的改变，与应用肌松剂后长时间窒息有关。如果丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性杂合子(单个等位基因)表达，会导致胆碱酯酶活性降低，药物作用时间通常会延长3～8倍；而丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性的纯合子(2个等位基因)表达则更加延长其恢复时间，比正常人增加60倍。法国的一项研究表明，应用多聚酶链反应（PCR）方法，16例发生过窒息延长的病人中13例被检测为A变异体阳性。预先了解丁酰胆碱酯酶基因型的改变，避免这些药物的应用可以缩短术后恢复时间和降低医疗费用[6，12]。
七、镇痛药物与基因多态性
μ-阿片受体是临床应用的阿片类药的主要作用部位。5%～10%的高加索人存在两种常见μ-阿片受体基因变异，即A118G和G2172T。A118G变异型使阿片药物的镇痛效力减弱。另一种阿片相关效应—瞳孔缩小，在118G携带者明显减弱。多态性还可影响阿片类药物的代谢。
阿片类药物的重要的代谢酶是CYP2D6。可待因通过CYP2D6转化为它的活性代谢产物－吗啡，从而发挥镇痛作用。对33名曾使用过曲马多的死者进行尸检发现，CYP2D6等位基因表达的数量与曲马多和O－和N－去甲基曲马多的血浆浓度比值密切相关，说明其代谢速度受CYP2D6多态性的影响。除CYP2D6外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。已证实CYP3A4在其它阿片类药如芬太尼、阿芬太尼和苏芬太尼的代谢方面也发挥重要作用。
有报道显示儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。COMT是儿茶酚胺代谢的重要介质，也是痛觉传导通路上肾上腺素能和多巴胺能神经的调控因子。研究证实Val158Met COMT基因多态性可以使该酶的活性下降3～4倍。Zubieta等报道，G1947A多态性个体对实验性疼痛的耐受性较差，μ-阿片受体密度增加，内源性脑啡肽水平降低[13～16]。
八、局部麻醉药与基因多态性
罗哌卡因是一种新型的酰胺类局麻药，有特有的S-(-)-S对应体，主要经肝脏代谢消除。罗哌卡因代谢产物3-OH-罗哌卡因由CYP1A2代谢生成，而4-OH-罗哌卡因、2-OH-罗哌卡因和2-6-pipecoloxylidide (PPX)则主要由CYP3A4代谢生成。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A。Mendoza等对159例墨西哥人的DNA进行检测，发现CYP1A2基因的突变率为43%。Murayama等发现日本人中CYP1A2基因存在6种导致氨基酸替换的SNPs。这些发现可能对药物代谢动力学的研究、个体化用药具有重要意义[17，18，19]。
当今科技发展飞快，生产环境亦大有改善，环境中化学毒物的污染以低浓度、超低浓度为主，人们以长期低浓度接触，慢性、亚慢性轻微中毒多见，而急性中毒少见。因此，要开展功能毒理学的研究。科学家们发现，在人体中与代谢等功能相关的基因叫做功能基因，这些基因发生异常的人，在适当的环境，包括外环境、饮食、生活方式的作用下，就会出现功能的异常，最终导致疾病。对功能基因组学的分析，具有个性化和发现疾病前兆的特点。最后通过特色防护，补充处方营养和相应的食物，以及促进机体排出毒素等措施，维护人体健康。
功能医学有助于治疗慢性病，这对职业病、慢性中毒的防治有帮助。它虽不是新型医学，但它是医学领域的新思维，是应用现代科学技术，全面了解人与环境关系的科学。它将开辟一个新时代，是一门保健
医学。
功能基因组学又称后基因组学，它利用结构基因所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，在基因组或系统水平上全面分析基因的功能。经功能基因组学研究，发现基因功能，并对突变基因进行检测。外来化学物与生物体相互作用后全基因组表达的变化，再通过生物信息学的方法对化学物毒性进行全面定性分析，筛选更多的标志物，解释毒物致病机理。毒理学一方面探讨毒物对机体各种组织、细胞、分子的作用及损害机制，阐明毒物分子结构与其毒作用之间的关系。另一方面也研究毒物的体内过程及机体防御体系对毒作用的影响。
传统毒理学注重中毒和三致作用（致癌、致畸、致突变），功能毒理学与其的最大区别是它主要评价器官的功能，因此它表现的损害早，损害小且可逆。它具有预防疾病的作用。
功能毒理学的检测不具侵袭性，但它全面、系统。通过对粪便、尿液、唾液、血液及毛发进行分析检测，评估人体的六大功能：① 生理代谢功能分析。② 内分泌系统功能分析。③ 营养状况分析。④ 免疫系统分析。⑤ 肠胃道系统分析。⑥ 环境毒素分析。
1前言
民以食为天,食以安为先。食品安全关系人类健康,一直以来,都是全球关注的热点。随着社会经济的发展,一方面,随着生活水平不断提高,公众对食品安全越来越重视,要求也越来越高;另一方面食品工业快速发展,国际食品贸易日趋频繁,食品安全问题已呈现全球化模式。威胁食品安全的因素不仅仅有传统的化学危害物、食源性致病菌;采用劣质原料生产高货值食品、以次充好、以假乱真、产地造假、成分造假等等问题,是目前食品安全面临的新挑战。目前,已知危害物的检验技术已经比较成熟;未知、潜在的食品安全危害物侦别及成分鉴定、产地鉴定等,是食品安全检测技术面临的难题。食品安全检测迫切需要新的方法和手段来解决这些难题和挑战。组学是最近几十年发展起来的新学科,主要包括基因组学(Genomics)、蛋白组学(Proteinomics)、代谢组学(Metabolomics)、转录组学(Transcriptomics)、脂质组学(Lipidomics)、糖组学(Glycomics)等等。其中,基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学共同构成了“系统生物学”[1-2]。组学技术的基本思路是通过研究成千上万的DNA、RNA、蛋白质或者代谢物等物质,找出与某一生命过程相关的特征蛋白、DNA、RNA或者代谢物,进而对某一目标进行评估。组学技术依托高通量、高分辨率、高精度的现代化分析仪器,通过海量数据处理,进行信息提取和结果分析。近年来,组学技术与食品安全检测不断融合,在食品安全检测领域发挥着越来越重要的作用。
2与食品安全检测相关的组学技术
2.1蛋白组学。蛋白组学研究特定状态下蛋白整体水平的存在状态和活动规律,是从分子水平上来分析蛋白质的表达、修饰、功能等的一门学科。蛋白组学的研究对象涉及植物、动物、微生物等,其在药物开发、病理研究、食品安全等方向都有诸多应用。蛋白质可以作为食品组分的特征标记物,因此蛋白组学可以用于食品安全检测[3]。蛋白组学的研究手段主要有凝胶技术和质谱技术,质谱可以对肽段和蛋白进行表征和测序,是分析蛋白的重要技术。通过蛋白酶解后得到肽段的肽指纹图谱结合质谱技术,可以分析某一种或同类食物的蛋白质成分[4],经过比较和筛选,确定特征标志蛋白或者肽。基于对蛋白或者肽的分析,质谱技术可以获得食品组分的特定指纹信息,实现定性分析。一旦获得蛋白标志物或者肽标志物,即可用液相色谱-质谱的选择反应监测(SRM)或者多反应监测(MRM)模式对目标物进行快速、灵敏的定量分析检测。2.2代谢组学。代谢组学以生命体的代谢物为研究对象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根据研究对象不同,代谢组学可以分为研究已知化合物的靶向代谢组学和分析未知化合物非靶向代谢组学。代谢组学作为新兴的研究技术已应用在食品安全、药物研发、疾病诊断、环境科学和植物育种等方面[7]。代谢组学的主要研究手段包括核磁共振技术(NMR)和质谱技术。质谱技术以高通量、高灵敏度著称,飞行时间质谱和高分辨质谱是代谢组学研究中经常用到的仪器;NMR技术具有非破坏性的优点,可以对研究对象内部化学变化和生化反应进行跟踪[8-9]。常见的代谢物主要有极性化合物(例如有机酸、氨基酸、糖、胺)、脂类、类萜和固醇。代谢组学分析得到的数据量巨大,需要借助化学计量学对数据进行分析处理,常用的分析方法包括主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、判别分析(DiscriminantAanalysis,DA)、偏最小二乘法-判别分析(PartialLastSuares-DiscriminantAeqnalysis,PLS-DA)等方法[10]。2.3基因组学。基因组学的研究对象包括基因组的结构、功能、进化、定位、编辑等,以及他们对生物体的影响。基因组学通过使用高通量DNA测序和生物信息学来组装和分析整个基因组的功能和结构。近几十年来,多重聚合酶链式反应、基因测序、基因芯片等技术飞速发展,为基因组学在食品安全领域的应用打下了良好的基础。基于基因组学特异性强、灵敏度高和高通量的特点,其在病原微生物检测,物种鉴定和转基因食品检测方面有着很多应用[11-12]。
3组学技术在食品安全检测中的应用
1整体医学
整体医学是现代社会正在兴起的一种医学体系，将医学看成一个有机整体，从整体上来认识医学的性质、对象和目的。整体医学与传统中医药学在外表近似，但是本质有所不同。整体医学从本质上说，是一种系统论。整体医学就是用整体观认识医学的各个要素。而整体医学的整体观是建立在现代科学技术所认识的所有联系的基础上，从科学的长远发展上来说，这是一种弱整体观，一种综合论，理论基础是还原科学观。
医学的发展大致经历了三个时代，即经验医学时代、实验医学时代和当前的整体医学时代。经验医学时代为自然哲学医学模式，实验医学时代为生物医学模式，而整体医学时代为生物-心理-社会医学模式。当今医学的特点是处在实验医学时代向整体医学时代的过渡时期，整体医学的理论体系尚未正式形成，但已具雏形。现代的整体医学是现代科学技术尤其是生命科学发展的结果，但是生命科学——基因组学正在走向完善的基因组联系，将来的发展必然在基因组的普遍联系上证明中医的基本理论，所以随着基因组学的整体化发展，以及中医学的跨越式发展，现代整体医学必然走向更完备的、以中医学为核心的整体医学。
2中医学现代化
整体医学的崛起给中医药学国际化带来了机遇，整体医学与中医药学的关系是十分密切的。从理论体系看，整体医学的理论与中医药学的学说实际上是相通的。如《黄帝内经》中就提出“人与天地相参”的观点。
中医药学其实就是一门完整的整体医学。中医学有着对人体自身整体性及人与自然、社会环境相统一的认识。但是中医学又是一门模糊的整体科学。《黄帝内经》建立于二千多年前，是古人观察人体与自然所建立的整体医学，其本质就是结构与功能相统一的整体观，但是由于社会发展水平和极端落后的科学技术条件的限制，这个时候形成的整体只能是粗略与模糊的。随着时代的发展，由于封建礼教的限制，加之受中国哲学观重用轻体、重道轻器价值取向的影响，人们开始疏于人体具体的形态和结构，歧视人体解剖，对人体的细节和局部方面未做较深入的剖析研究，随之《内经》的结构功能统一的整体观逐渐演变为单纯的功能性的整体观。由于缺乏了结构和形态的支持，不能得到有效的可见的物质证据来说明自己的科学性，本身也缺乏创新发展，所以随着以结构为主的现代医学的发展，中医学屡次受到打击和排斥。
中医药学的发展必须从《黄帝内经》的整体思想开始做起，真正认识整体的本质，结合现达的科学技术尤其是分子生物学技术，发展新时代的完整的结构与功能统一的整体观。所谓中医现代化就是用现代语言和科学技术重新描述人与自然、人与社会平衡条件下的人整体的运动规律。
当代分子生物学在迅猛发展，借助电子计算机技术处理大量数据，基因组学得到了极大的发展。在足够的时间内，基因组学很可能走向整体，最后可能在基因的相互联系中发现了中医的阴阳五行所存在的基因证据，这时候中医就会被分子生物学所吸收，现代的整体医学就可能吸收了中医药学的优势发展成为完善的结构与功能统一的整体医学，中医不再是中国的中医了。这是好事，但是对于国家和民族，对于中医学的发源地，我们将失去一次崛起的机会。
3整体的含义
中医学是整体科学，西医学是还原科学。中医现代化首先必须是基础理论的现代化，而基础理论的现代化又以整体为前提，整体观的现代化为首要。以前中医现代化的失败在于从传统的功能整体观方法论上而不是从整体的根本意义上看待现代化。而西医也是从自身的方法论上看待中医，所以在这种前提下根本的中西医结合是不可能的。
整体是物质的结构与功能的统一，两者互相依存、不能分离，结构是功能的基础，功能是结构的展现。整体是局部的整体，局部是整体的局部。整体是物质形、气、能的统一，是结构与功能的统一，是一种客观实在。
任何个体都是由两种以上的物质要素混化而成的。这一混化物可以呈质地均匀无别的气态，也可以呈实体存在的实体态。前者固然是一体，后者，尽管它的实体组成部分可以形形，各部分的功能也可千差万别，但该实体物的气却遍布全体、贯穿内外，使组元形成有机联系的和谐整体。这里所说的整体，指形成气的时空结构而言，它是维系气独立性、特殊性的根本，也可把整体理解为气的结构模式。譬如，设某模式为特殊的比附，这种特定的形状结构的性质是不受其所占位置的大小影响的。因而时空结构模式一旦形成，不仅可以使全部事物的各个部分都处在同一结构上，而且这一整体特以渗透到所属各个局部中去，使在这一整体中的局部组元可以体现整体，这是与组元作为独立存在物的根本区别：①整体的实在性。②整体的联系性：任何整体都在和其他整体处在密切的联系当中，联系是这个整体存在的必然条件，没有联系便没有这个整体存在的必然性了。③整体的层次性：任何整体都是大的整体的一个组成部分，而这个整体有包含了小的层次的整体，小的局部组成。④整体规律的类似性：一物生来有一身，一物自有一乾坤。每个整体都是从类似规律演化而来，从无极演化，有太极，从这太极演化阴阳，以至这一整体全部。⑤整体的进化性：宇宙从无极逐渐演化太极，以至现在的万物，在发展至人这个宇宙最高级的生命个体，便是整体演化的最好的证明。
气是中医学的核心。现代医学是从有形的结构上研究，形是气所聚，形散为气，气是形的场，形气是统一的。气是整体的体现。那么从形气理论的两种医学也是可以统一的。
整体性是贯穿人体宏观和微观的根本。从宏观逐渐微观，每一层次都是结构和功能的统一，每一层次都服从统一的整体性，而整体性是每一层次运动联系的根本。这个的整体规律就是中医基础理论，这个规律指导着每一层次的运动和相互作用。
4建立中医基因组学
基因组是现代生物学还原到分子的体现，由此生命科学开始转向整体科学。现在的功能基因组学就是这一转向的体现。基因组是整体科学与还原科学的交汇点。
基因组是人体的微观信息调控中心，更体现了人体的整体性。它是人的精气的凝聚态，含有生命的全部信息。宏观人体整体和微观的人体基因组整体性是统一的和同源的，基因组整体是由五脏功能模块组成，这五脏又有亚细的模块组成，这亚细的模块又有更微小的基因模块组成，各个大模块亚细模块之间存在协调的相互关系，这个关系就是微观经络系统。基因功能模块由相应的基因组成，基因组整体是结构和功能统一的整体。建立中医特色的基因组学是为了完善中医药学理论，发展整体医学。建立微观基因组整体辨证论治，并没有否定传统意义上的辨证论治观，而是将其发展一步，深入到基因组整体内部，将整体观深入到基因组整体中，将宏观整体辨证和微观基因组整体辨证结合起来，建立了一个从外至里、从里至外的整体的辨证论治观，建立宏观和微观统一的整体的辨证体系。这才是科学的完整的辨证论治观。
建立中医基因组学是为了在基因研究的基础上，结合证候研究，证明中医证候理论的正确性；进而在分子基础上证明中医脏腑经络理论的正确性，最后深入基因组研究，深入了解基因组所蕴含的生命本质以及生命的发展。
中医基因组学的建立是中医现代化走向未来的一个关键点，整体科学与还原科学都在这一尖端领域进行着研究，而中医学进入这一领域，一可以完善自己的理论体系，解译基因组所包含的全部生命信息，促进人类的健康事业；二则可以引导还原科学的整体化演变。
5中医心理学的发展
这是中医心理学与现代心理学结合的关键点。也是中医现代化的另一个关键点。
中医心理学原来是中医学的一个分支，以心理的整体功能为本体论述人的心理的，讲的是人的先天功能。传统中医学建立在远古极端落后的社会经济条件下，人们看不出人的社会本质和社会发展，而现代社会条件下，人的心理与健康都受到了社会的极大影响，发生了很大改变，中医心理学也必须随时代的发展而发展。
现代心理学是以人的大脑的具体结构为生理基础，论述人在社会中的各种行为性格等，这是人的后天功能，对人们的各种行为意识均有科学的描述。但是现代心理学没有与人的整体功能结合在一起，没有指出人的根本的社会本质，所以其发展也是有局限的。现代心理学是建立在还原论基础上的，而人的心理是整体的，所以它本身具有很大的缺陷。
人的各种语言、行为以及意识思维等都是在人的元神的支配下进行的，元神是最根本的自我。而心理的进行是在社会背景条件下的，一切心理行为都有社会背景的，社会背景形成了人的心理模块、人格模式，人格模式下的元神系统构成了人的社会自我，心理的行为是在元神的支配下通过心理模块进行的，以此结合这两个心理学，可以从根本上解决人的心理问题。佛学对人的心性理论有深刻认识，但是借鉴之前必须彻底抛弃佛学所具有的唯心思想，心性理论中性与元神相关，而心与元神、元神支配下形成的人格模式有关。
元神可以接受信息，加工、储存、提取信息，发放信息三个方面。人出生时意识是白净的，但是在人从出生开始，人就在不断接受信息，在一定社会文化背景下不断学习，不断加深信息，积累信息，使元神中的信息不断强化与激活而得到强化，最终形成了比较固定的人格参照模式。这个模式一旦形成，就形成了新进入信息的文化背景，形成了人各种意识、行为的模板，形成了特定的性格模式。人的性格模式是在元神支配下形成的，但是性格模式一旦形成就对人的元神人的生理发生作用，形成了人的后天行为的文化背景和模式。人的性格模式与人的后天社会文化环境有很大关系，它也不是固定不变的。
中医心理学和现代心理学是功能与应用的结合。元神是人的整体功能，人的五脏情志、七情等都是人的元神功能的一个方面，但是这些情志的发生必然受到人的性格模式的影响，性格模式又决定了情志的发生模式。中医心理学和现代心理学都是不完整的，各讲述了人心理的一个方面，结合起来才是真正的人的心理整体过程。
人的心理在当今社会是一个比较陌生的领域，佛学、现代心理学、中医心理学都有各自的认识，但是它们又不是完全的，正确的认识是将它们结合起来，建立科学的辨证唯物主义的整体的心理学体系。现代中医心理学的建立不但解决了人的意识的根本问题，促进人类的心理健康发展，而是还对社会的发展有很大的潜在的作用。
Genomic research of traditional Chinese medicines in vivo metabolism
XIAO Shuiming1*， BAI Rui2， ZHANG Xiaoyan3
（1. Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences，
Beijing 100700， China；
2.College of Pharmacy and Chemistry， Dali University， Dali 671000， China；
3. College of Life Science， Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）
[Abstract] Gene is the base of in vivo metabolism and effectiveness for traditional Chinese medicines （TCM）， and the gene expression， regulation and modification are used as the research directions to perform the TCM multicomponent， multilink and multitarget in vivo metabolism studies， which will improve the research on TCM metabolic proecess， effect target and molecular mechanism. Humans are superorganisms with 1% genes inherited from parents and 99% genes from various parts of the human body， mainly coming from the microorganisms in intestinal flora. These indicate that genetically inherited human genome and "second genome" could affect the TCM in vivo metabolism from inheritance and "environmental" aspects respectively. In the present paper， typical case study was used to discuss related TCM in vivo metabolic genomics research， mainly including TCM genomics research and gut metagenomics research， as well as the personalized medicine evoked from the individual difference of above genomics （metagenomics）.
[Key words] traditional Chinese medicines（TCM）； in vivo metabolism； TCM genomics； gut metagenomics； personalized medicine
doi：10.4268/cjcmm20162204
中药体内代谢研究是阐明中药作用机制的重要途径，也一直是中药现代化研究的难点。虽然同是用于疾病治疗的药效物质，中药是与化学药物迥然有别的复杂生物体系，它作用于人体时响应的是多维非线性的复杂效应[1]。很多中药的疗效经过长期临床实践已经得到证实，但进入体内发挥药效的化学成分及其体内过程并不清楚。研究中药体内代谢可以了解中药在体内的代谢途径、存在形式、影响因素以及药效物质基础。中药体内代谢及药效发挥的基本环节是药物分子与机体生物分子之间的直接或间接的相互作用，引起从遗传信息到整体功能实现中的多个层面的结构与功能状态的改变，而决定这些层面的结构与功能的基础是基因。因此，以基因表达、调控及修饰为研究方向，进行中药多组分、多环节、多靶点的体内研究，可能有助于阐明中药体内代谢过程、作用靶点和分子机制[2]。同时，人作为一个超级生物体，只有1%的基因遗传自父母，其余99%的基因都来自分布人体各部位的微生物，其中肠道是微生物定植数目最高的器官[34]。因而，肠道微生物基因组被誉为“人类的第二个基因组（our other genome）”[5]。
近年来，基于“基因组学”的技术在中药体内代谢领域进行了有益的探索。本文将以典型研究案例为线索，探讨中药体内代谢基因组相关研究，主要包括中药基因组学和肠道宏基因组学研究。
1 中药基因组研究
王升启[6]于2000年提出了中药基因组学（TCM genomics）的概念，即以药物基因组学（pharmacogenomics）理论为基础，将中药的药性、功能及主治与其在人体内代谢/疾病相关基因表达调控相关联，在分子水平研究中药在人体基因组介导下的代谢转化、作用靶点、毒副反应、药效机制和中药整体化作用的规律。中药基因组学的核心内容是应用基因组信息和方法在人类基因组水平研究中药体内代谢和反应的遗传学本质。陈士林等[7]关于中药基因组学的理解，则侧重于中药本身，主要包括中药转录组学、结构基因组学、基因组标记解析和功能基因组学等，属于本草基因组学（herbgenomics）的研究范畴[8]，旨在通过对中药原物种遗传信息的揭示，解析重要活性产物的生物合成途径，发掘参与生物合成的功能基因，推动对中药合成生物学、基因组辅助分子鉴定和分子育种及中药道地性遗传机制阐释的深入研究。
药物基因组学是基于药物反应的遗传多态性提出来的，表现为药物代谢酶、受体和靶标的多态性等。这些多态性的存在可能导致许多药物治疗中药效和不良反应的个体差异，这种情况在中药体内代谢过程中将更为复杂。传统中药以口服用药为主，中药成分在体内发生代谢的部位主要有胃肠道、肝脏、肾脏和肺等组织器官，其中肠道和肝脏是多数药物的主要代谢器官。除中药原型成分外，还可能有大量代谢产物的存在，其中的药效成分作用于受体、酶、离子通道等靶点，最终产生药效。中药体内的反应和代谢涉及多基因的相互作用，基因多态性导致药物体内代谢反应多样性，从而为从基因组水平研究中药体内代谢和药物反应奠定了基础。相比于遗传药理学（pharmacogenectics）着重于药物在代谢动力学和药物效应动力学方面单个或少量基因的研究，中药基因组学的研究范畴更广，包括全基因组上决定中药药物效应的所有基因，系统性地评价基因的相互作用及其如何影响疾病的易感性、药理学功能、药物处置和治疗反应，并以此为平台指导中药新药的开发及合理用药。
遗传药理学是药物基因组学的一种雏形，它从单基因的角度研究遗传因素对药物代谢和药物反应的影响，特别是遗传因素引起的异常药物反应。总体而言，个体对药物代谢和反应差异的15%～30%是由基因因素决定的，个别药物基因因素的影响可以占到95%[9]。中药基因组学目前主要关注中药作用机制、毒副作用、有效成分和药物靶点等研究[10]，进一步从表型到基因型的中药反应个体多样性研究相对较少。Lee等[11]发现由芍药根诱导的肝细胞凋亡早期其BNIP3基因表达上调，而ZKl，RAD23B及HSPDl基因表达下调，提示芍药根抗肿瘤活性的机制可能与促进细胞凋亡相关；Watanabe等[12]通过观察服用银杏叶提取物（GBE）小鼠皮层及海马组织的基因表达变化，发现皮层内微管相关蛋白、钙离子通道及催乳素等多种与脑功能相关的基因表达的上调，而海马组织内则仅有甲状腺转运蛋白上调，表明GBE可能通过对淀粉样蛋白清除而发挥神经保护作用；Zhang等[1314]构建了栀子苷治疗缺血性模型大鼠的基因表达谱芯片，结果表明栀子苷对局灶性脑缺血大鼠脑组织基因表达具有调控作用，从分子水平阐述了中药清开灵注射液成分栀子苷的药理作用机制；张立平等[15]筛选肝肾阴虚型晚期结直肠癌（CRC）患者使用六味地黄颗粒前后的显著差异表达的基因，干预后129个差异基因，其中128个上调，1个下调。基因功能（GO）富集分析结果显示，干预前后共254个基因GO存在显著差异。在生物过程中，凝血功能相关的基因占41.5%；在细胞组成中，45.5%的差异基因与细胞质膜有关；在分子功能方面，64.9%的差异基因与结合有关。上述结果表明六味地黄颗粒可增强患者凝血功能，增加钙离子结合。
此外，随着中西药联用在我国临床上日趋广泛的应用，中药通过影响药物代谢酶或转运体基因表达和功能改变其底物药物的血药浓度，可能导致临床上药物毒副反应或治疗失败的发生，产生有重要临床意义的中药药物相互作用。高立臣等[16]对药物代谢相关基因介导的中药药物相互作用研究进行了系统的总结。Wang等[17]发现贯叶连翘Hypericum perforatum诱导细胞色素CYP2C19对奥美拉唑的羟化活性和CYP3A4对奥美拉唑的磺化作用，且这种影响具有CYP2C19和CYP3A4基因型依赖性；同时贯叶连翘可诱导CYP2C9对降糖药格列齐特的代谢活性，但这种影响不具有CYP2C9基因型依赖性。
下列3个案例分别从青蒿琥酯抗肿瘤效应，莨菪亭抗药性以及银杏叶提取物对药物代谢酶CYP的影响以及对其他药物药效学的影响等方面，对中药基因组相关研究展开介绍。
1.1 青蒿琥酯抗肿瘤的作用机制研究 研发新的药物及治疗策略以克服肿瘤药物抗性是目前临床肿瘤学最紧迫的任务之一。Sertel等[18]在过去几十年里，系统分析了中药里的药用植物中具有对肿瘤细胞毒性活性的次级植物代谢产物。在诸多的天然产物中，青蒿素及其衍生物青蒿琥酯（artesunate，ART）表现出明显的体内外抗肿瘤活性[19]，但其抗肿瘤的分子机制并不明确。Sertel等[20]采用了基因芯片技术，在转录水平解析青蒿琥酯抗肿瘤机制相关的基因。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cMyc/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。
在确定青蒿琥酯对具有顺铂（cisplatin）、阿霉素（adriamycin）和紫杉醇（paclitaxel）抗性的卵巢癌细胞的细胞毒性后，采用基于基因芯片的转录组mRNA表达谱和COMPARE分析的基因捕获技术，鉴定出一系列表达量与ART高/低半抑制浓度（IC50）相关的基因。这些基因涉及的生物学功能包括核糖体结构组成（RPL29），ATP结合级联转运（ABCC3），激酶（PRKCSH， ITPK1， IKBKG， DDR2），细胞抗氧化防御和致癌性（ATOX1），肌动蛋白细胞骨架（RRAS），致癌性（SMAD3， WNT7A），细胞黏附及恶性细胞增殖（ST8SIA1），细胞增殖与凋亡（CSE1L），细胞循环、分化（S100A10）和转移（HMGA1， RPSA）等，上述可能是肿瘤细胞应对ART的抗性或增敏因子作用途径。针对信号传导的通路分析表明，ART处理与肿瘤坏死因子（TNF）和肿瘤抑制因子p53信号通路相关，其网络结构涉及细胞形态、抗原呈递和细胞介导的免疫反应相关（图1 A），以及神经系统发育与功能、细胞组装和架构（图1 B）。
另一方面，实验结果也发现与ART作用后细胞应激无明显功能相关性的基因，如耳蜗内外毛细胞相关基因。Sertel等认为ART影响转录因子活性，进而调节涉及肿瘤细胞应对ART的下游基因的表达。在之前的研究中，作者发现cMyc的表达量与ART药物敏感性相关[21]，表明cMyc转录调节在介导ART细胞毒性效应中可能起作用。通过ConSite检测转录因子结合位点，56个基因中，大部分分别具有1～12个潜在的cMyc结合位点；只有3个基因启动子不具有cMyc结合位点，这提示cMyc可能是ART细胞反应重要的转录调节因子。Max基因作为cMyc二聚体伴侣分子，作者以关联分析验证了cMyc/Max的mRNA表达量与ART作用于细胞株的IC50的关联性。
综上，cMyc/Max介导的基因表达转录调控，可能有助于提高ART对癌细胞的细胞毒性作用以及对肿瘤的治疗效果，同样也避免因为疗效无关基因表达差异导致的不必要的毒副作用。
1.2 莨菪亭在肿瘤细胞中的抗药性研究 抗药性和不良/副反应是抗肿瘤药物新药研发中必须面对的问题。莨菪亭（scopoletin），来自艾属植物以其他植物的香豆素类化合物，其化学名为6羟基7甲氧基香豆素。香豆素类化合物具有广泛的药理活性，如抗炎、抗菌、扩张血管、抗凝血、抗血栓、退热、镇静等，特别是抗肿瘤及防治尿酸血症方面活性，已引起广泛的关注。戴岳等[22]发现东莨菪素具有抑制体内外血管生成作用，其机制主要是通过抑制内皮细胞的增殖这一环节起效。此外莨菪亭可引起细胞膜完整性缺失和细胞凋亡，具有细胞毒性作用，可诱导肿瘤细胞凋亡[23]。上述结果表明，莨菪亭是一个潜在的用于癌症治疗的抗肿瘤化合物。
Seo等[24]采用基于NCI细胞系的基因芯片RNA表达谱技术探究莨菪亭在肿瘤细胞中的药物基因组学反应。结果表明，细胞对于莨菪亭的反应与经典药物抗性机制（ABCB1，ABCB5，ABCC1和ABCG2）的ATP结合盒（ATPbinding cassette， ABC）转运蛋白的表达并不相关。同样不相关的还包括致癌基因EGFR的表达和抑癌基因TP53的突变状态。然而，致癌基因RAS的突变和以细胞倍增时间表征的增殖活性与莨菪亭抗性显著相关。基于转录组水平的mRNA表达数据经COMPARE和等级聚类分析鉴定出一组40个基因（图2），这些基因在其启动子序列上均有转录因子NFκB的结合基序（binding motifs），而NFκB已知和药物抗性相关。致癌基因RAS突变，低增殖活性和NFκB的表达可能妨碍了莨菪亭的药效。基于计算机模拟的分子对接研究发现莨菪亭与NFκB及其调控子IκB相结合。莨菪亭激活SEAP驱动的NFκB报告细胞株中的NFκB基因，提示NFκB可能是莨菪亭抗性因素之一。
综上，因其良好的抗肿瘤细胞活性，莨菪亭将成为肿瘤药物研发的关键化合物，哪怕NFκB信号通路的活化可能成为其抗性因素。目前需要更多的证据以探究莨菪亭的治疗潜力。
1.3 银杏提取物对不同CYP基因型的代谢影响 银杏叶提取物（Ginkgo biloba extract）含有160多种成分，主要为黄酮苷、萜内酯和有机酸等，具有调节血管、增强认知力、缓解压力等药理作用[25]。随着银杏制剂的广泛应用，与其他药物合用的机会越来越多，因此研究银杏叶提取物对药物代谢酶的影响以及对其他药物药效学的影响在临床应用中具有实践意义。中药对细胞色素P450酶（cytochrome P450， CYP450）及其药物转运体的诱导和抑制是介导中草药药物相互作用和产生药物临床毒副反应的主要机制。中草药能够通过影响药物代谢酶或转运体基因表达和功能改变其底物药物的血药浓度，可能导致临床上药物毒副反应或治疗失败的发生，产生有重要临床意义的中草药药物相互作用[16]。CYP2C19是CYP450酶第二亚家族中的重要成员，对药物的Ι相代谢反应起着关键性作用，而研究表明银杏叶提取物引起具有显著的诱导CYP2C19活性效应[26]。
Yin等[27]研究了不同CYP2C19基因型个体服用银杏叶提取物片剂与奥美拉唑（omeprazole，广泛使用的CYP2C19底物，适用于胃溃疡、十二指肠溃疡，应激性溃疡等）后潜在的中草药药物互作关系。18位经过CYP2C19基因分型的健康志愿者纳入研究。在基线和为期12 d的银杏用药（140 mg）后分别服用奥美拉唑（40 mg），采集服用奥美拉唑12 h血样和24 h尿样。HPLC测定血样与尿样中奥美拉唑及其代谢物浓度，包括5羟基奥美拉唑和奥美拉唑砜，并计算非房室药代动力学参数。
相比于基线水平，服用银杏后，奥美拉唑和奥美拉唑砜血药浓度显著降低，3种CYP2C19基因型[纯合子强代谢型（HomoEM），杂合子强代谢型（HetEM）和弱代谢型（PM）]的奥美拉唑AUC0∞平均下降41.5%，27.2%，40.4%。相应地，奥美拉唑砜下降41.2%，36.0%，36.0%，两者AUC0∞无显著变化。同时，AUCOPZ和AUCOPZSUL在服用银杏提取物前后均显著相关（Spearman相关系数分别为rs=0.88，P
2 肠道宏基因组研究
然而，遗传多态性无法单独解释相同剂量的同种药物在遗传背景一致的实验动物中不同的药代学和毒理学反应[28]。除遗传外，年龄、疾病、营养状况、生活习惯、肠道菌群均可能影响或参与药物体内代谢[2931]。正常成年人肠道内1×1013～1×1014个细菌，约1 000种不同种类，编码基因数为人体基因的100倍以上[3233]。肠道菌群基因组总和，即肠道宏基因组（gut microbiome）提供了宿主自身不具备的酶和生化代谢途径，参与外源异生物质的体内代谢，使肠道成为药物转化独特而重要的场所[28]。而肠道宏基因组学（gut metagenomics）利用分子生物学研究方法，借助高通量测序并结合生物信息学方法绕过纯培养技术研究肠道微生物多样性及功能，发掘微生物多样性结构和功能基因组、寻找新基因及其产物[34]。
中药进入消化道后主要存在以下几种情况：以原型形式被宿主直接吸收；经肠道细菌和/或内源性酶生物转化后以代谢物形式吸收；调节肠内微生态结构；作为废物随粪便直接排出体外[35]。不同类型细菌产生不同代谢酶，催化包括水解、还原、合成、杂环裂解和C葡萄糖苷CC裂解等不同的药物代谢反应，因此肠道菌群被视为药物肝脏代谢的补充或拮抗[36]。约60%的药物反应与肠道菌群相关：肠道菌群与宿主肝脏和免疫系统相互作用，通过直接生物转化或间接调节宿主药物吸收与代谢酶活性影响药物疗效与毒性（图3）[37]。中药大多数为口服药物，少则几十多则上千种的化学成分在进入体内后既有互相促进也会有拮抗作用，其在体内的药效活性成分既可能是原型成分也可能是代谢产物。通常认为，药物必须吸收入血，分布到靶器官，而且在相应的靶器官处在一定时间段内维持一定的浓度水平才可能发挥药效作用。然而很多中药成分难以被人体直接吸收，进入胃肠道与肠道菌群相互作用，进行生物转化或者调节肠道菌群结构与功能，从而影响甚至决定中药的疗效与毒性（图4）[38]。
因此，Nicholson等人提出“系统生物学”（global systems biology）概念，将肠道菌群的代谢作用纳入宿主整体代谢系统，视宿主、肠道菌群和其他环境因素为一个整体，通过基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学方法等来阐明药物或其他异源性物质在体内的代谢过程[41]，发现能够反映宿主遗传、代谢和环境因素变化的生物信息（标记物）谱系（bioinformatics profile）对患者分类并为其提供个性医疗服务。
肠道菌群作为“内化”了的环境因素，提供人体本身不具备的酶和生化代谢途径，催化包括中药在内的异源生物质体内代谢反应，因此肠道菌群被视为药物肝脏代谢的重要补充或拮抗，而人体全身的整体代谢，包括药物代谢实际上是其体内自身的基因组和其肠道内共生的微生物组活动的整合[42]。一方面，肠道菌群可以作为天然的生物转化器，影响中药疗效的发挥与毒性的改变。黄芩、葛根和豆豉中所含的黄芩苷、葛根素、异黄酮苷普遍存在于中药方剂和营养品中，体外研究表明，葛根素和异黄酮苷能被肠道菌群代谢为比前体物更加有效的大豆黄素和毛蕊异黄酮[43]。黄芩苷在肠道内难以被直接吸收，只有被肠道菌群水解为黄芩素后才能被吸收入血液而发挥作用，而口服黄芩苷的无菌小鼠与常规小鼠相比，肠道内的黄芩苷则几乎没有被代谢[44]。人参的主要活性成分人参皂苷存在类似的情况，在体外实验中人参皂苷的原始成分的生物活性很低，在血浆中的浓度未能达到药效浓度[45]；其在肝脏内基本不被代谢，主要是在肠道菌群的作用下降解。研究表明，肠道中的双歧杆菌、拟杆菌、梭菌等能够代谢人参皂苷[46]。另一方面，肠道菌群还可以作为中医药的作用靶点，实现中医药对机体多靶点的治疗作用[42]。含有多糖成分的补益类中药对益生微生物和致病微生物均具有扶植效应，但对益生微生物的扶植效果明显优于致病微生物。因此，长势良好的益生微生物所产的代谢产物又间接抑制了致病微生物的生长[47]。例如，党参多糖在体外可促进双歧杆菌的生长，从而增加乙酸的代谢，增强双歧杆菌的定植抗力[48]。用党参、茯苓、白术等补气类中药制成的复方合剂灌服小鼠发现，与灌服前比较，乳杆菌、双歧杆菌数量明显增加，肠球菌数量明显减少[49]。此外中药含有的黄酮类、萜类、蒽醌类、生物碱类、甾体类等生物活性成分，以及蛋白质、维生素等多种营养成分，对肠道微生态系统的平衡有很好的保护作用，能直接或间接地调节肠道菌群失调。
作为了解微生物群落结构组成与代谢功能金标准的测序技术，在近几年来，二代高通量测序技术（如454焦磷酸测序和illumina测序）朝着快速、高通量、低成本方向迅速发展，同时也促进了宏基因组学的研究。宏基因组（metagenome）是指一个微生物群落内所有成员的基因组的总和[50]。宏基因组学是一种不需要分离培养微生物而直接发现和利用其基因的新的技术策略，能够更加全面而深入的解析微生物群落的结构和组成，挖掘更多未知的功能基因和功能菌。研究策略上，全微生物组关联分析（microbiomewide association study， MiWAS）通过对肠道菌群结构的变化与中药体内代谢/生理病理指征的变化进行全局性相关性分析。MiWAS策略已广泛应用于解析肠道菌群在代谢性疾病，如肥胖、2型糖尿病等中的作用研究[51]，在菌群参与中药有效成分体内生物转化和代谢活性方面将是有益的借鉴。肠道菌群的结构变化用二代高通量测序技术对进化标记16S rRNA基因进行测序或者全微生物组的测序（宏基因组）来测量。中药体内代谢指征的变化以血液/尿液原型和代谢物含量、体外代谢活性和代谢酶活等来表征，辅以疾病相关生理指标。多元统计学方法（主成分分析PCA、冗余分析RDA、偏最小二乘法判别分析PLSDA和UniFrac等）以对肠道菌群种类组成、功能基因/通路组成和中药体内代谢的变化进行关联分析。
下列案例将从中药口服进入体内后与肠道菌群相互作用，即肠道菌群参与中药体内代谢和中药成分对菌群结构与功能调节方面展开论述。
2.1 肠道菌群代谢增强人参皂苷体内吸收 人参皂苷具有提高免疫力、抗肿瘤、抗疲劳、抗衰老、降血糖和保护心血管/中枢神经系统等药理作用。然而，人参皂苷口服后其原型药在肠道中的吸收程度低，如人参皂苷Rb1的吸收率仅约为1.0%，Rb2为3.4%，Rg1为1.9%，血药浓度难以达到充分发挥药理活性所需浓度[52]。口服生物利用度低的问题同样广泛存在于其他皂苷类、黄酮类（如大豆黄酮）、异黄酮类（如葛根素）、生物碱类（如小檗碱）和单萜类（如芍药苷）等中药有效成分中，成为制约相关中药制剂发展和临床应用的瓶颈问题[53]。作为“天然活性前体”的人参皂苷在肠道菌群分泌的各类糖苷酶（如β葡萄糖苷酶、α阿拉伯糖苷酶等）作用下逐级水解脱去糖基，转化成为药理作用更强的少糖基皂苷或苷元后吸收率大大增加，且体内分布广泛，在肝脏被酯化后发挥更长久、强劲的药效[54]。目前，人参皂苷Rbl的代谢途径研究较为清楚，即在C20，C3和C3位顺次水解1分子葡萄糖，依次生成人参皂苷Rd、人参皂苷F2，最终形成人参皂苷化合物K（compound K， CK），该化合物也是其他原人参二醇型皂苷在肠道内的主要代谢产物[45]。体外实验证实该过程由肠道细菌分泌的βD葡萄糖苷酶阶梯式地断开糖苷连接完成，Prevotella oris，Eubacterium A44，Bifidobacterium K506，Bacteroides JY6和Fusobacterium K60等肠道微生物协同参与了人参皂苷Rb1的代谢[55]。通过连续过度疲劳和急性冷应激（suffering successive overfatigue and acute cold stress， OACS）建立肠道菌群失调Qi缺陷型的小鼠模型，Zhou等[56]研究了人参多糖对人参皂苷肠代谢和吸收的影响，以及肠道菌群作为中介的作用机制。
HPGPC发现人参多糖具有1.00～1 308.98 kDa的相对分子质量分布，并鉴定出11种主要的皂苷成分，包括人参皂苷Re，Rg1，Rf，Rb1，20（S）Rg2，Rc，Rb2，Rd，F2，20（S）Rg3和CK等。结果表明，人参多糖可有效调节色氨酸、苯丙氨酸、溶血卵磷脂、胆酸、硫酸甲酚、氧化三甲胺（TMAO）、异柠檬酸和4甲基苯酚等内源性代谢物，改善OACS诱导的内源性代谢失调。对肠道菌群结构的影响，主要表现为在门水平上逆转OACS导致的菌群失调，增加厚壁菌门和减少拟杆菌门相对丰度。PCoA结果进一步证实：人参多糖，低聚果糖和空白组的聚集相互交织在一起，但模型组与之分离；与模型组相比，给予人参多糖或低聚果糖的小鼠体内拟杆菌属和乳杆菌属丰度增加（具有明显差异P
独参汤中的多糖成分使失衡的肠道菌群得以恢复，菌群的作用促进汤剂中人参皂苷的溶出与吸收。中药中的多糖成分一直以来被轻视甚至被忽视，现代工业化的中药制剂生产中将多糖作为杂质去除以达到符合要求的纯度；对中药汤剂的科学研究中也把多糖从主要的化学成分中排除。该研究有助于改变这种偏离传统中药的使用方法，也缺乏科学证据的做法，通过研究多糖和药效成分的协同作用，为中药汤剂的科学化和合理化使用提供指导。
2.2 肠道菌群介导灵芝提取物的减重效应 在我国，灵芝的使用已有2 000多年的历史，大量药理研究表明，灵芝具有调节免疫、保肝、抗肿瘤、抗衰老、提高机体耐缺氧能力等活性[57]。灵芝的化学成分复杂，从该属真菌中已分离得到灵芝多糖、三萜类化合物、核苷、氨基酸、甾醇、生物碱等多种成分。其中灵芝多糖和三萜类化合物可抑制糖尿病小鼠的脂肪细胞分化及降低血糖[58]；而蛋白聚糖则表现出抗血脂、抗氧化等活性[59]。血糖血脂代谢紊乱的核心，即肥胖已经逐渐成为全球性的公共健康问题，促进包括糖尿病，心血管疾病，高血压和癌症等并发症的发生。研究已经证明肥胖的发生常伴随慢性低度炎症以及肠道菌群生态紊乱，因此如何改善炎症，恢复肠道生态平衡成为肥胖研究的重要课题。
Chang等[60]向高脂饮食饲养诱导的肥胖小鼠食物中添加灵芝的水提取物（WEGL），发现肥胖小鼠表现出体重下降/脂肪积累减少（体重、附睾脂肪垫和皮下脂肪垫），炎症改善（TNFα，IL1β，IL6，IL10和PAI1），胰岛素敏感性增加等获益表型。PCoA分析和聚类分析表明高脂饮食和WEGL分别显著改变了健康/肥胖小鼠的菌群结构，WEGL降低由高脂肪饮食诱导的厚壁菌门/拟杆菌门（Firmicutes/Bacteroidetes）的比例升高以及产内毒素的蛋白菌（Proteobacteria）水平。而且通过恢复紧密连接蛋白ZO1和Occludin的表达，并保持肠屏障的完整性，进一步研究发现WEGL降低肥胖小鼠血清内毒素水平及Toll样受体4（TLR4）介导的内毒素体内信号通路，最终减少内毒素血症发生；同时还观察到，将处理过的小鼠粪便移植给其他肥胖的小鼠，可重现由WEGL所造成的减重等有益代谢效应。进一步地，从WEGL分离纯化得到大分子多糖物质（相对分子质量>300），同样表现出抗肥胖以及肠道菌群结构调节作用。
综上，这项研究首次发现灵芝及灵芝多糖具有降低体重和调节肠道生态平衡的作用，可作为预防菌群失衡和肥胖相关的代谢失调的益生元加以应用，同时表明灵芝补品对于肥胖和相关疾病的潜在治疗作用，但还需要深入研究其作用机制并进一步证明在人身上是否也有类似效应。同上一个案例相似地，中药中的多糖成分，人参多糖和灵芝多糖，都表现出对肠道菌群结构平衡的促进以及对相关症状的改善作用。
2.3 肠道菌群参与葛根芩连汤治疗2型糖尿病 肠道菌群通过调节宿主脂肪代谢和诱发代谢性内毒素血症引起慢性炎症等机制参与宿主肥胖、胰岛素抵抗等代谢性疾病的发生、发展[61]。以中心性肥胖和胰岛素抵抗为核心的代谢综合征是2型糖尿病（T2DM）、心脑血管疾病和动脉粥样硬化等的高危因素[62]。中药复方葛根芩连汤（GQD）出自张仲景的《伤寒论》，由葛根、黄芩、黄连和甘草等组成，是含有小檗碱，并长期用于治疗急性肠炎、细菌性痢疾和肠伤寒等的经典方剂。近年的动物实验或临床观察研究表明，GQD具有显著的降糖、降血脂的效果，在2型糖尿病等代谢性疾病的治疗上具有巨大的应用潜力。但是，已有的研究都是动物实验或者是开放、无安慰剂对照、样本量较小的临床观察，而且GQD的降糖机制目前也并不清楚。研究表明GQD在改善糖尿病大鼠血糖、血脂代谢的同时，显著调节了肠道菌群产生的代谢物。但是，究竟GQD能否调节肠道菌群，以及菌群是否参与了GQD的降糖作用等问题仍有待回答。
Xu等[63]基于随机、双盲与安慰剂对照等临床试验规范，将187例T2DM患者随机分为4组，分别接受高（N=44）、中（N=52）、低剂量（N=50）GQD和安慰剂（N=41）治疗12周，并对治疗前后患者粪便样品中细菌的DNA进行基于16S rRNA基因可变区V3区的454焦磷酸测序和多元统计分析。结果表明，安慰剂组和低剂量GQD治疗组患者临床症状未显著改善，Unweighted Unifrac PCoA和MANOVA分析结果相互印证，表明菌群结构也未发生明显变化。随着GQD剂量的提高，患者治疗后的菌群结构与治疗前的差异不断增加，即菌群结构样本点偏离得越远；T2DM诊断指标空腹血糖（FBG）和糖化血红蛋白（HbAlc）改善也更显著，表现出明显的剂量效应。此外，用药4周后高剂量组患者的菌群已显著不同于用药前，并在此后的8周维持不变，但是血糖水平一直持续改善。冗余分析（RDA）从4 000多种肠道细菌中找到了146种响应GQD治疗的细菌种类，其中47个OTU被显著富集，且17个OTU与FBG显著负相关，9个OTU与HbA1c显著负相关。特别是产丁酸盐的Faecalibacterium prausnitzii，高通量测序及定量PCR结果都证实其丰度变化与T2DM症状指标（FBG，HbAlc和2hPBG等）改善显著负相关，与HOMAβ显著正相关。
研究表明，中药复方GQD可以有效地调节肠道菌群结构，特别是增加有益菌如Faecalibacterium spp.等的含量，且菌群改变与血糖代谢改善显著相关，提示肠道菌群可能参与了GQD降糖作用，也提示中药可作为以肠道菌群为靶点治疗T2DM的新药来源。该研究首次在人群试验中观察了GQD在治疗T2DM过程中患者肠道菌群的变化及其与糖尿病改善的关系，也表明严格质量控制的复方中药也可以做RCT试验验证其疗效，而且基于宏基因组学的肠道菌群结构变化监测为理解中药的作用机制提供了新的途径。
3 研究方法
由于中药的复杂性，多种交叉学科技术被引入到中药体内代谢研究。基于从单一化合物到复杂体系的代谢研究思路与策略，对中药体内代谢的生化过程以及代谢物本身的研究，化学半合成及生物催化合成用于代谢产物的制备；体外代谢模型能更好地对不同组分的体内处置进行模拟并给出解释，常用的体外模型如细胞水平的Caco2模型、血脑屏障模型、酶水平的P450酶系、UGT/SULT酶系。此外，动物或人群试验，以及基于血清中含有的成分才是中药的体内直接作用物质的学说而建立的血清药物化学，是研究中药体内代谢过程的有效方法。
在上述体内外模型基础上开展的中药体内代谢基因组研究，本质上同样基于基因组学技术，主要为微阵列芯片技术和测序技术。以基因芯片为代表的微阵列芯片是研究分析基因的一种强有力的分子生物学技术，是进行中药基因组研究的主要工具。在基因芯片的表面，以微阵列的方式固定大量并行的寡核苷酸或cDNA探针，对生物体整个基因组的基因表达进行测定。基因芯片以高通量、多因素、微型化和快速灵敏的特点而见长，能够针对中药的多成分、多途径、多系统、多靶点的作用特点而进行系统深入的研究。
除常规的微生物分子生态学技术，包括细菌16S rRNA基因克隆文库技术、PCRDGGE/TGGE和TRFLP等DNA指纹图谱技术外，近年来迅猛发展的454，illumina等二代高通量测序技术使得对肠道宏基因组的高通量、大规模深度测序成为可能，极大促进了肠道宏基因组学的发展。同时结合多变量统计方法，如主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLSDA）等，可直接地获得肠道微生物的组成和功能信息，鉴定出与中药体内代谢密切相关的特定的细菌类群和生物转化基因功能，从而为中药体内代谢研究提供更多的信息[34]。
综上，中药基因组学和肠道宏基因组学从不同角度对中药体内代谢进行研究，但从药物研究和毒理学评价层面来看，基因组学研究的是生物体受外源性物质刺激后基因表达的改变，而基因表达调控与系统的整体功能之间的关系并不清楚。中药作用于人体，一方面自身会被肝药酶或肠道菌群代谢，产生活化或者失活的代谢产物；另一方面中药及其代谢产物会导致机体内源性物质应答的变化，引起全身水平复杂的代谢网络变化，体现在体液内/外源性代谢物的成分构成或相对浓度的变化，从而提供了药物作用机制和作用靶点的信息[34]。随着色谱质谱联用仪法、核磁共振波谱法、色谱核磁质谱联用等分析技术的发展，代谢产物鉴定及多成分药代动力学研究已有较成熟的平台。代谢组学（metabonomics）表征生物体整体功能状态的特点，与中药的“多组分、多靶点、整体调节，协同作用”的特点相吻合，因此是研究系列中药现代化关键科学问题的重要手段。张旭等[34]认为综合运用中药基因组学、肠道宏基因组学、代谢组学以及生物信息学等技术对中药体内代谢进行系统而深入的研究，有望为中药现代化研究打开新局面。
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2教学手段与方法的改良
传统的基因工程教学方法在水产类高等学校中多以板书结合多媒体的方法来讲解概念、原理以及性质等内容，其过程相对机械、枯燥，使得学生难以理解所学内容。对此，笔者通过多媒体教学与自制模型演示相结合的方法取代原有的传统教学。由于基因工程的很多内容相对抽象，仅仅通过教学技术具有图文声像随意组合、灵活多变的特点，为学生创造了良好的学习情境。通过功能强大的各种计算机软件把一些很难理解的内容做成动画影片，化难为易、化静为动、变抽象为形象，使学生对上课产生兴趣，促进学生对知识学习的渴望。同时，利用自制的模型讲解课程中的重点以及难点。例如:在介绍限制酶的切割位点时，让学生手持模型，分别角色扮演限制酶和基因序列，在排列位置的互换中了解3种切口的方式以及位置。这样的教学方法不仅形象，也让学生在互动中快速、深刻地记忆知识要点。另外，通过当下研究的前沿话题为例，先提出一个问题，引导学生运用其他课程所学过的或者自身所积累的知识来联想、分析、讨论，自己设计解答此问题的方法或实验流程。然后老师再参与其中，在讨论和修改方法以及实验流程的过程中，引出所要讲授的新的概念和知识要点。例如介绍表达物质(蛋白质)的鉴定时，老师会先提出问题:基因克隆表达出的物质是什么?这些物质是由什么组成的?鉴定这些物质可以使用什么方法?然后引导学生回顾生物学中心法则，得出基因表达物质为蛋白质，蛋白质是由氨基酸组成等所学过的知识，由此学生可归纳出氨基酸测序法等鉴定蛋白质的方法。最后老师再在此基础上补充出WesternBlot法、生物质谱技术等新的鉴定方法。这样的讲课方式让学生回到课堂上的主角位置，在复习了以往的知识要点的同时也加深了学生对新知识的理解与记忆，在一定程度上启发了学生如何去发现问题和解决问题。此外，基因工程是一门实践性很强的课程，在讲授理论课的同时，实验课的安排也是非常重要的。设计好与理论课相配套的实验课程，可以使学生加深对基因工程学理论的学习和理解，达到理论和实践相结合的目的。对此，各大高校均在基因工程实验课上进行了改革创新，但有一点总被忽略，那就是实验研究对象。目前，国内大多数高校基因工程实验课所使用的研究对象均为果蝇等无脊椎模式生物。这种情况对于普通高校而言是可行的，但是对于拥有特色学科的水产类高校而言，研究对象也应具有其专业特点。所以本实验课所使用的研究对象是斑马鱼这种海洋模式生物。研究对象的改变虽微不足道，但是能让学生更好地理解自己所学专业的特色，在实践操作中加深对所属专业的热爱。
3成绩考核
中国传统的应试教育产生了“高分决定一切”的迂腐思想。随着国家教育体系改革的不断推进，学生对于专业知识的掌握与否，已经不能仅从一张考卷成绩的高低来反映，考核成绩的结构应向多元化的方向发展。基因工程的最终考核成绩主要包括两部分:平时成绩占40%，其中课堂出勤率10%、课堂讨论10%、课堂小考10%以及实验报告10%;期末考试成绩占60%。这样的考核体系改变了过去注重结果忽略过程的做法，让学生在平时将知识一点一滴地积累起来。同时，也让授课教师能够及时得到教学效果的反馈信息，进一步提高教学水平。
Abstract: Bioinformatics was emerged in the 1980s,which is a new cross- discipline and then was applicated in the wide range of areas. Bioinformatics in biochips, drug development, energy fields, crop genetic analysis, disease detection are introduced in the context . Bioinformatics focuses on the collection, collation and services of biological data to discover laws guiding research,which is an indispensable tool for bioinformatics research.
Keywords: Bioinformatics；Biochip；Drug development；Disease detection
现代生物信息学是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互参透而形成的交叉学科，是应用计算机技术和信息论方法研究蛋白质及核酸序列等各种信息的采集、存储、传递、检索、分析和解读，以帮助了解生物学和遗传学信息的科学[1]。
1．生物芯片
生物芯片(Biochip)是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析
基因芯片是目前最重要的生物芯片。
基因微阵列是通过将核苷酸或DNA作为探针，紧密地排列在硅片等固相支持物上，然后将经过某种标记后的样品与微点阵杂交进行检测。根据杂交信息可以确定靶DNA的表达情况以及突变和多态性存在与否。芯片技术的突出特点是高度并行化、多样化、微型化和自动化等，因而被广泛用于测序、转录情况分析、不同基因型细胞的表现分析以及基因诊断、药物设计等领域，成为后基因组时代基因功能分析的制程技术之一 [2]。
2．药物开发
未来的药物研究过程将是基于生物信息知识挖掘的过程。基因组研究对现代与未来药物学和药理学产生了重大影响，尤其为新药筛选、药靶设计和分子药理学研究，以及疑难病的药物设计和途径选择等提供了新的方法论基础。基因组学与药物学的结合已经产生出一门新的分支学科---药物基因组学[3]。制药公司特将充分应用药物基因组学及生物信息学的理论知识和技术手段来设计临床试验并模拟和分析理论与实验数据。这将大大减少新药开发成本，缩短开发周期，为患者、医生和健康医疗机构等诸方面带来选择性治疗的革命。生物信息学也可用于破译遗传密码、筛选免疫基因以及进行新药研发等领域[4]。
3．生物信息学在能源领域的应用
综合运用GenBank等数据库以及各种分析软件将各类数据对比分析，人们已经能够使用酶来降解生物聚合物，通过筛选有益细菌来获取高级的生物催化剂，从而提高使用的产量[5-6]。原核生物采矿技术也得到了迅速发展。同样，不同类型的煤也会发生类似的生物转变，可以转变成甲烷。人们通过生物信息学技术手段开采能源的新方法，可提高能源的采出率和降低开采难度。
通过生物信息学技术改良生物基因，使之转变为生物能源，这是解决能源短缺问题的途径之一。这主要通过生物催化剂的基因转变和代谢工程，利用酶和细菌对生物体的碳氢化合物进行新陈代谢优化，从而用于开发生产生物乙醇等生物能源。
4．农作物基因分析
对重要农作物及经济植物进行基因组分析也需要生物信息学工具。例如，在植物基因组调控和结构研究中，涉及生物信息学的内容有：调控序列数据库；基因表达的调控分析；基因组序列识别；基因结构预测，转录与翻译控制模型；大规模基因数据集分析。
通过数据检索、序列对比、同源性分析、结构预测等工具软件的运用，可将分析数据应用于农作物模式植物研究、种质资源保存、病虫害防治、作物遗传育种等[7]方面，从而为解决模式植物的基因组测序、保护濒危种质资源、控制动植物病虫害和培育优良高产的农作物品种方面提供可靠保障。
5.疾病检测
基因组计划产生的基因及基因多态性数据与临床医学检验结果之间的关系需要利用生物信息学的方法去分析、去揭示，根据这样的分析结果，科学家能够更准确地了解疾病产生的根本原因，更精确地预测某个人患癌症、糖尿病或者心脏病的可能性，从而彻底改变我们诊断、治疗和预防疾病的方式[8]。
6.小结与展望
生物信息学的发展将给生命科学研究带来明显的变革，将帮助人类认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，解释人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、诊断、预防和治疗提供合理和有效地方法或途径，同时还将对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的推动作用，甚至可能引发新的产业革命。21世纪是生命科学的时代，生物信息学为生命科学的发展提供了遍历和强有力的技术支持，推动者生命的迅速发展。
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