基因组学应用
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基因组学应用范文第1篇
【关键词】基因组学 教学 改革
【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：
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基因组学应用范文第2篇
【关键词】生物信息学 宏基因组 高通量测序
宏基因组（Metagenome）是1998年由Handelsman等人正式提出，定义为特定生物环境中全部微生物遗传物质的总和。宏基因组学通过直接从环境样品中提取全部微生物的遗传物质DNA，利用第二代测序技术，得到高通量宏基因组数据，并结合微生物基因组学的研究成果，分析环境样品所包含的全部微生物的群落组成及其结构功能。高通量宏基因组数据在基础微生物学、水体、土壤、农业、医学研究等领域都显示出了重要价值[1]。
1宏基因组学研究方法
宏基因组学的研究方法主要有：环境样本的采集、宏基因组DNA的提取，高通量测序、所得序列的比对检索分析，以及进一步进行微生物物种结构和功能分析。其中，提取DNA要尽可能地提取出样品中所以微生物的基因且保持基因片段的完整，目前的提取方法主要有直接裂解法和细胞提取法。随着第二代测序技术的发展，宏基因组数据呈现出序列短小、通量巨大的特点，一方面蕴含更为丰富的环境微生物遗传物质信息，极大拓展了微生物学研究与应用领域，另一方面也为分析处理带来前所未有的挑战。
2宏基因组学的应用
在短短几年内，高通量宏基因组数据研究已渗透到各个领域，包括基础微生物学、海洋学、土壤学、医学等，并在医药、替代能源、环境修复、生物技术、农业、生物防御及伦理学等各方面显示了重要的价值[2]。
2.1基础微生物学研究
宏基因组为基础微生物学研究打开了新局面，得以快速准确地探测新基因、发现新物种（如未知病原体等）以及准确认识微生物群落的物种构成及其功能结构。由于自然界中大多数微生物物种及其生物量是未知的，其中大量微生物采样困难、培养效率低下，这极大限制了传统微生物学的研究与发展，而高通量宏基因组数据的产生则突破了这一束缚。通过分析高通量宏基因组数据，包括序列比对、De Novo组装、GO分析等等技术，无需经过提纯培养，就能探测新基因、新物种，为微生物环境工程、疾病诊断治疗奠定基础。
2.2海洋学和土壤学研究
海洋和土壤中包含大量微生物，它们与生态环境关系密切。目前通过采用土壤、海水等环境样品，获取高通量宏基因组数据，探测其中微生物的组成及功能分布，能够对导致生态环境变化的因素有更深入的认识。如利用来自海洋石油污染区的微生物高通量宏基因组数据，分析其微生物相对丰度，可以有效探测石油降解细菌及其生态关系网，为污染治理提供新思路。利用来自豆类植物附近土壤测取的宏基因组数据，分析其中固氮菌含量及其关联因素，有助于设计提高豆类产量种植模式。高通量宏基因组数据为认识复杂的微生物群落构成及其功能提供了可能，且必将在研究生物多样性和微生物环境工程中发挥重要作用[3]。
2.3医学研究领域
高通量宏基因组数据在现代医药学中扮演着极其重要的角色，一方面通过疾病样本的宏基因组分析，可以确定病原体或致病基因及其与其他因素之间的关联，为疾病治疗提供可能；另一方面利用宏基因组数据筛选在医药业中具有重要应用价值的基因及其产物，促进医药发展。如利用取自不同牙周炎病况病人口腔高通量宏基因组数据，分析处理得到各样本微生物相对丰度数据，比较不同牙周炎病况下的微生物整体分布情况，揭示出牙周炎与口腔微生物群落的生物多样性和关联网络之间有显著联系。
3结语
随着高通量测序技术的迅猛发展，宏基因组分析已经成为探索自然环境中微生物物种和功能组成的重要手段之一，是研究微生物群落的利器。宏基因组分析手段无需经过复杂严苛的实验室培养过程，直接利用第二代高通量测序技术，快速产生成千上万的自然微生物DNA序列的短读片。但是高通量宏基因组数据也给研究带来挑战。它呈现出序列短小、通量巨大的特点。此外，高通量测序技术的准确率低于传统测序技术，亟需完善的概率统计模型和有效的算法实现[4]。
在应用前景方面，随着组合生物合成技术和纳米技术迅速发展，可以考虑将宏基因组学技术与之结合，利用纳米技术人工合成由宏基因组学的方法探测所得新兴基因，促进天然活性产物的开发及挖掘，进一步促进微生物工程的发展。
参考文献：
[1]许忠能著.生物信息学[M].北京： 清华大学出版社，2009.
[2]贺纪正，张丽梅，沈菊培 等.宏基因组学的研究现状和发展趋势[J].环境科学学报，2008，28（2）： 209-218.
基因组学应用范文第3篇
药物基因组学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关系的学科。
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。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-nucleotidepolymorphism,SNP)。目前为止，已经鉴定出13000000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）
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CYP
2D6。
（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
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（Ryanodinereceptor-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（malignanthyperthermia,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CYP2C19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、吸入与基因多态性
到目前为止，吸入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Val158MetCOMT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]。
九、总结与
展望
基因组学应用范文第4篇
关键词 药物；微生物；放线菌；基因组学；研究；研发
中图分类号 Q939.93 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）21-0284-02
在临床药物学研发中，针对中药、化学药物及生物技术药物研究较多，而微生物药物方面的研究并不多。随着微生物次级代谢产物研究的增多，有关微生物新药的开发也越来越多，而且微生物药物还具有条件温和、易工业化生产及污染小等优点，加强微生物类药物研究和开发具有现实意义。
1 微生物药物的发展历程
人类认识微生物的历史悠久，但研究微生物药物的历史并不长，尤其是对微生物次生代谢产物方面的药物研究历史更短，至今不过70年。微生物药物中的青霉素是由英国的细菌学家在1929年发现的，20世纪40年代初学者Chain与Florey将青霉素应用到了临床治疗中。随后，从微生物次生代谢产物中发现了庆大霉素、红霉素、螺旋霉素及林可霉素等药物。随着医药学的发展，人们对疾病分子基础与药物作用机制越来越了解，还能在体外构建各类药物筛选的模型，极大地提升了微生物药物研制。微生物所筛选的生理活性物质中，除了抗生素外，在抗肿瘤用药、免疫抑制剂及酶抑制剂等领域也具有很大的药物开发价值。在近70年的微生物药物研究中，科学家从土壤、动物、植物、海洋中获取微生物，还有些微生物来自高寒、高温及高压等极端环境，而人类对微生物的了解仍然较少，还不到3%，在微生物代谢的产物当中，还存在着大量待开发的药物，需要人们进一步研究与开发。
2 微生物药物的特点
微生物药物是指微生物在生命活动过程中，产生的具有生理活性的次生代谢产物及其衍生物。近些年，随着其微生物次生代谢产物生理活性的研究，微生物中靶位确切的多糖及蛋白分子等活性物质被发现[1-2]。次级代谢产物难以用化学法进行合成，即使能合成也无法有效实现工业生产，若把小分子的物质进行化学修饰之后，可获得含有使用价值更高的微生物药物。与化学药物相比，微生物药物具有以下特点：一是微生物的生长周期较短，易选育菌种，易控制，可经大规模发酵进行工业化生产；二是微生物的来源非常丰富，筛选时不用特别考虑先导化合物，筛选几率也比较大；三是通过微生物药物合成改造，微生物药物生产能力得到很大提升，便于新微生物药物合成。微生物多样性使得临床医药的应用前景更为广阔。
3 微生物药物资源的研究
3.1 海洋微生物药物
在整个地球，面积最大的是海洋，海洋具有高压、高盐、高温及无阳光等自然特点。海洋中的微生物具有较特殊的遗传背景与代谢方式，可能产生功能及结构特殊的活性物质[3]。研究表明，海洋微生物中，近27%可产生抗菌类的活性物质，其分离出的代谢产物大多数含有生物活性。例如，Koyama等学者从海洋真菌中获得了新二萜药物。当前，从海洋微生物代谢产物当中，发现了很多结构特殊、新颖的活性物质，这些活性物质在陆地微生物中未发现过，因此海洋微生物药物是非常具有开发潜能的天然药物。
3.2 稀有放线菌微生物药物
多数活性物质源于普通的放线菌，但从普通放线菌当中获取新的活性物质几率下降，研究范围逐步拓展至稀有放线菌中。自20世纪50年代开始，有些稀有放线菌的代谢产物已应用到临床中，例如，庆大霉素、红霉素与安莎类等物质。目前，人类认知的放线菌种类不到实际种类的10%，放线菌微生物药物的研发还具有很大发展空间。
3.3 极端环境下的微生物药物
在高温、高酸、高盐及严寒等极端环境下，长期生长的微生物，其生理机制及基因类型均较为独特，代谢产物也比较特殊。现代所知的微生物药物资源种类占实际种类资源不到10%，而极端环境下的微生物更少，在极端环境中，更能发现未知的微生物药物资源。如近些年云南大学对青海及新疆等地区中极端环境下的微生物进行了系统研究，并获得了很多未知微生物，有效推进了微生物药物的研究和开发。
4 基因组学研究下的微生物药物开发
随着人类和微生物基因组学的深入研究，近5 000种蛋白或功能基因被认成潜在药物的靶标，这给微生物药物筛选及发现打下了基础，其药物靶标和基因组学研究发展紧密相关。根据统计可知，在2009年之前，整个世界有2 500余种病毒，其中，完成基因测序的真菌有100余种，细菌约600种。随着微生物基因组学计划和蛋白基因组学研究的不断深入，建起了相应的蛋白质数据库，对一些重大疾病的蛋白质结构进行了系统测定，剖析了蛋白质三维结构，并发现了一些具有药物作用的靶标[1]。从病原微生物看，功能性基因组的研究为致病基因及必需基因的确定奠定了基础，尤其是一般性病毒，整个基因组能编码约10个蛋白基因，而功能蛋白中4～6个是药物靶标。从细菌方面看，细菌基因组要比病毒基因多，细菌基因组多在4 Mbp左右，编码蛋白基因约数千个，独特必需基因有数百个，为潜在药物的靶标奠定了基础，对于真菌来说，有些致病真菌基因组已完全测序出来，因此具有真菌生长的基因为人类非同源基因预测提供了可能性，如假丝酵母基因组的序列当中，就发现了200余个基因，但人的基因组当中有些没有同源性，运用其潜在靶标可寻找到药物的靶点[4-5]。
5 我国微生物药物研发思考与展望
随着我国生命科技不断发展，医学领域对微生物资源越来越重视，微生物药物研发不断增多，其药物靶点不断被发现，在现代化学实体当中，超过10%为微生物药物，并且属于新衍生物研发。我国微生物资源非常丰富，但对微生物认识有限，尤其是海洋、植物及极端环境下的微生物研究较少，运用基因组学技术获取微生物衍生物中的药物，这已成为微生物新药获得的重要方式[6-8]。与发达国家比较，我国在微生物药物方面的研究比较欠缺，政府部门也应给予重视与支持，加强我国微生物药物方面的研究与开发，为人类的生命安全做出贡献。
6 参考文献
[1] 朱宝泉，胡海峰.微生物药物研究中新技术和新方法的应用[J].中国天然药物，2004，11（4）：3-8.
[2] 武临专，洪斌.微生物药物合成生物学研究进展[J].药学学报，2013，6（2）：155-160.
[3] 王霞.海洋微生物药物研究进展[J].天津化工，2012，4（4）：4-6.
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[5] 刘飞，伍晓丽.生物技术在微生物药物研究中的应用[J].重庆中草药研究，2007（1）：38-40.
[6] 陆茂林，司飞.微生物新药创制的思路与方法[J].中国天然药物，2006（3）：17-20.
基因组学应用范文第5篇
[关键词] 中药； 体内代谢； 中药基因组学； 肠道宏基因组学； 个体化医疗
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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基因组学应用范文第6篇
摘要：人类基因组计划(HGP)经过10年的实施，已取得巨大成果。该计划将显著改变医疗科学，同时也潜伏着新的危险。随着HGP的发展，人类社会在基因检查、药物基因组研究及基因治疗等三大应用领域有着美好的发展前景，同时也面临着新的困境。在将HGP成果应用于人类社会时，我们必须及时考虑和解决所涉及的伦理、道德和社会等问题，从而使HGP成果更好地为人类社会服务。
Why Map a Human
——Impact of Human Genome Project on Human Society & 10th Anniversary Celebration of HGP
Abstract：The Human Genome Project (HGP) has made great progress in ten years.HGP is producing a information that will illuminate secret of life.The effort could revolutionize medical science.But new dangers are arriving，too.Confronted with the dilemmas posed by new technology related to gene tests，pharmacogenomics and gene therapy，human need to make efforts to study and resolve ethical，legal and social quandaries.HGP will demand more guidance when technical gains are applied into human society.
Key Words：HGP;gene test;pharmacogenomics;gene theraphy
人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)自1990年正式启动，至今已走过了10个春秋。这项跨世纪工程刚刚走过了它的第一个里程碑：第22号人类染色体被全部破译!1999年12月2日出版的《Nature》杂志上发表了该染色体的完整基因序列［1］。这是迄今为止被完全破译的第一条人类染色体。虽然其基因图谱中含有一些小的空白点，但它仍然是一项了不起的成就。这项成果的取得足以使科学家们保持兴奋的目光看到完整的人类基因组序列将在今年初步确定，这个完整的基因图谱将含有关于人体每个基因及这些基因的蛋白产物的全部信息。届时，《Nature》杂志若要发表完整基因图谱，大约需要59万页的篇幅。今天，HGP已提供了数万个基因供研究。任何对目前基因数据进行认真思考的人，都会感到束手无策；即便是遗传学家，面对包容在DNA中浩如烟海的遗传信息甚至也会觉得无所适从。
基于同样的原因，即使是在HGP取得巨大成果的今天，仍然不妨碍我们发出基因作图为哪般的疑问和感慨。的确，究竟为什么要对人类作图?将大量的资源用于得到一本浩瀚的90%以上为意义不明确的非编码序列的“天书”是否值得?对于人类社会而言，科学家说基因图谱将能告诉每个人，你从哪里来?你为什么是你?而与人们的利害直接相关的是，我们到底在寻找什么?这种寻找对于我们的生活意义何在?
很显然，就DNA序列信息本身讲，它几乎不能给我们提供特定基因功能的确定信息，更不能回答上述问题。早期的人类基因组计划倡导者把该计划描绘为医学万能药。这种夸张对吸引人们的注意力以及获得项目资助是重要的［2］。但是现在我们必须面对现实。基因包含的巨大信息确实有改革医学的潜力，但获得基因信息的同时也就打开了包含各种伦理问题在内的潘多拉魔盒，这意味着遗传信息的实现从来都不是一帆风顺的。我们需要培养新一代的科学家，用完全不同的角度去充分开发已得到的信息资源，从而阐释生命的奥秘。
1 人类基因检查的困惑
当越来越多的人类遗传基因被阐明了的时候，想要知道它对人意味着什么的压力也增加了。直接的问题是，这个婴儿患有遗传性疾病吗?那位少年带有致病基因吗?一个成年人带有与糖尿病或者其它疾病有关的DNA吗?10年前，HGP的始动因素就是要解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题。6 000多种单基因遗传病和多种大面积危害人群健康的多基因疾病的致病基因和相关基因，代表了所有人类基因中结构和功能完整性至关重要的那一部分。因此，疾病基因的克隆在HGP各种竞争中居于核心的位置，也是HGP启动10年来在社会上显示度最大的成就［3］。而人们更关心的是医生该怎样才能从他的DNA中检查出其罹患癌症、心脏病及老年痴呆症的可能性，以便消除它们的致命影响?
基因检查正尝试对更多的这样的问题提供答案。毫无疑问，基因检查将是与人类社会密切相关的医疗诊断中获得最为迅速发展的重要领域之一。事实上，目前全世界每年都有数十万胎儿接受像羊水检查和绒毛膜抽样检查这样一类的技术检查。人工流产已经作为一种事实的方法来避免出生有可能带有遗传疾病的婴儿。同时这类检查并非只适用于未出生的胎儿，因为其中有许多方法也可以用来比较正确地检查儿童和成人疾病。显然，在今后数年里，随着人类23对染色体的完全解密，基因检查的次数将成倍地增长。
同样正确的是，科学家对人类染色体了解得越多，他们越加意识到疾病的遗传学比预期的要复杂得多，即使是那些所谓一目了然的疾病(单基因病)其易变性也超过了人们的想象。人类所有疾病中只有少数是由于单基因的缺损引起的。大多数比较复杂的疾病涉及许多只对人的易感性起推动作用的基因。这些疾病是由非单一基因的功能缺陷引起的。在任何相关基因上的DNA变异都可能导致一种疾病的表现型。一些基因的变异甚至只是对另一个基因的致病等位基因的补偿。更为重要的是：疾病的发生常常是基因的多种功能和这些功能的相互作用造成的；而人类生活的极其多样的环境，如我们吃的食物、呼吸的空气，我们接触的化学物质以及我们得到的医疗照顾等也同样影响基因的表达。
因此，在医学遗传学家尝试运用基因检查来预测病人的健康状况的努力中，一个不可忽视的现象是，在某些情况下，这些预测是极为准确的；但另一些情况下，测出的DNA变异与疾病的可能性之间并无密切联系。那么，我们应该如何正确对待基因检查所取得的信息?我们既可以利用这些信息来评估疾病发生的可能性，从而通过积极的饮食或行为改变来减少对某些普遍而复杂的疾病(如癌症、高血压)有遗传倾向的人们的患病危险。另一方面，这些信息也将可能导致人们的医疗保险增加，就业困难、爱情婚姻家庭发生问题等。作为遗传学研究的结果影响社会、经济生活的典型事例，目前在一些国家，如英国、美国已通过立法规定，个人的DNA检查数据不能作为保险和就业的依据［2］。
虽然基因检查的迅速发展已经提出了许多不容易解决的伦理上、法律上、社会学上以及科学上的许多难题，但就像其它数百万健康的儿童和成人所证明的，基因检查能够无法估量地改善个人、乃至整个家庭的生命质量。对基因检查将能带来的好处无动于衷是一种不道德的怯懦的行为，但是为了明智地使用这种技术，需要制定深谋远虑的社会和法律的政策。对遗传变异的关注及其它人类基因组序列的应用，我们必须提前预测、考虑和解决此类伦理学、法律和社会问题。
2 药物基因组学的承诺
DNA信息除了给疾病诊断带来的改善外，另一个很可能从HGP中较早获益的是改进在现有疾病治疗方法中进行药物选择的方法。尽管都知道个体对药物的代谢存在差异，现代医学实践采取的仍是以某一标准体重作为给药剂量的依据。而且许多疾病不仅是通过治疗进行诊断，更为不幸的是，往往在找到正确的药物之前，你可能已经花了4～6个星期去试验了其他4种不同的药，忍受了难耐的治疗过程和药物副作用。
不久的将来，理想的场景是当你在医院看病时，在医生给你开出处方前要做一件事，即从你头上拔下一根头发，做个DNA检测来看看什么药对你最恰当，从而不久你就能用上适合其本人基因组成的药品。这就是HGP的分支之一——药物基因组学的承诺［4］。这门新兴的科学，旨在从基因水平准确地阐述某些药物为什么有些人可获得理想效果，而另一些人则否。
人体疾病都是起因于细胞内正常代谢途径发生改变，代谢途径是有基因决定的。因此，不论是器质性病变还是功能性疾病无不与基因密切相关。从这个意义上说，药物设计应该建立在基因组信息的基础之上。科学家希望运用基因组信息来指导设计针对个人的药物预防计划并研制切合特殊患者基因构造的药品，从而避免毒害副作用产生。此外，DNA信息将帮助科学家们改变传统的从动物到临床的药物试验模式，从而可以大大减少药物试验的花费。由于临床用药的疗效与个体的遗传因素相关，对于在特定人群中具有卓越疗效的药物，涉及药物反应的用以鉴定基因差别的DNA序列分析，将有助于确定药物对小部分人群是否好。在这种情况下，药物使用前先进行DNA诊断将是可行的。诱人的一点是，由于改进的临床实验，将使更多、更有效、更便宜的药物出现［2］。美国人类基因组研究所所长Francis S.Colin预言道：药物基因组学将是下一代医学革命的一部分；用药个体化是其中的一项目标；很快，医生们将常规给病人做基因检测，以确保开给病人的药品实际上对该病人是最恰当的［5］。相对于基因治疗，药物基因组学的承诺可能更为实际或将实现的更早一些。
3 基因治疗的前景
HGP之所以展开，是因为它似乎能够带来最大的希望，使人类最终不仅能治愈长期已知的遗传性疾病，而且能够治愈与基因有着更为神秘联系的其他疾病(包括癌症)。或许以后人类再不必担忧罹患癌症、AIDS和心脏病之类的致命疾病，因为它们都可以轻而易举地扎上几针就可以预防和终身受益了。基因治疗的最终目的就是实现这些带有科学与科幻色彩的奇迹，从而被喻为医学史上的第四次革命。近年来，基因疗法涉足范围已超出遗传性失常疾病并进入后天获得性疾病中。实际上如今80%的临床测试都集中在癌症和AIDS上，致使基因疗法应用潜力远远超过相对较少的遗传性疾病［6］。随着HGP继续查明更多基因及其功能，基因疗法涉足疾病的种类将不断增加。
当前的问题是：人类将面临体细胞基因治疗和胚系细胞基因治疗的选择［2］。体细胞基因治疗将基因像药物一样的使用，其目的是将基因定向导入致病细胞以便替代或代偿这种致病缺陷。初步临床研究表明这种治疗方法是有前途的。这种基因治疗效用的发挥、副作用以及花费的多少，是决定是否使用基因或基因产物的主要因素，这不牵涉道德和法律问题。现代医学遗传学的倾向是人们已不满足只在体细胞上对致病基因的修修补补，科学家认为在生殖细胞水平采用胚系遗传工程(germ-line enginerring)进行基因治疗，将诞生完美无缺的人类［7］。与体细胞基因治疗情况完全不同，胚系细胞基因治疗的目的是以遗传的形式改变个体的全身的每个细胞。这种对生殖细胞的遗传修饰将会改变受术者及其子孙后代的DNA。在技术上，我们已经能够拥有转基因动物，至于转基因植物或食品早已成为我们生活的一部分。而胚系遗传工程产生的转基因人，在不久的将来或许比所谓的克隆人更易实现，也是更具意义的实践。因此许多科学家对应用于人类的胚系细胞基因治疗跃跃欲试。然而在转基因小鼠中，我们能够随意增加或者破坏几乎任何一个基因，而且可以不考虑使用限制。相反，尝试在人类应用则应该慎重。鉴于生殖细胞疗法会永远改变人的基因库，它是否应该受到鼓励或宽恕必须取决于生命的质量和道德因素［2］。
讨论基因疗法的前景和问题，如果不涉及伦理上的影响，那是不完整的。尤其是当我们开始改变生殖细胞时，这个状况将会变得更危险。遗传成分方面的错误可能给后代带来许多问题。不久，人类或许将面临更困难的决定，我们已经具有了改变我们人类基因结构的能力，我们将能设计我们的子孙后代。另一方面，遗传学知识告诉我们，遗传变异对物种是一种有意义的资源。在物种水平上的进化发生是保证适者生存。随着我们对基因调节人体功能的机制的了解更加深刻而广泛，我们人类该根据怎样的标准去选择有利于我们自己的性状，而对于诸如身材矮小、白化病、耳聋、活动过度和好攻击等所谓不利的性状是一律剔除(Knock-out)呢，还是容许这种个体差异的多样性存在?然而，谁会拒绝提高智力的遗传工程的诱惑呢?人类已成为地球上的主宰物种。我们已经控制了我们未来发展的大多数方面，现在我们正渴望通过遗传控制去掌握自己的进化，或许，自然界的下一步进化是在一个物种最终获得了这种能力的时候。美国加州大学生物物理学和社会学家斯托克对此评价道：“进化正被技术所替代，人类正变向有意识的设计对象。”［8］福兮?祸兮?这是一个问题。
我们的社会已跨入盲目发展核能的时代，但我们不能盲目地跨入遗传工程的时代。正如我们在基因疗法方面所得到好处那样，我们必须记住基因疗法带来的危险并保持警惕。这种把医疗技术的焦点缩到分子水平的理论和方法正在不断地给医学革命注入动力，也正是这种理论和方法使我们不得不面临最为严峻的伦理学难题。我们必须确定，我们要在何种程度上设计我们的子孙后代。我们是否有权利未经过后代的允许(实际上也不可能得到这种允许)就改变他们的基因?在设法解决这一问题的过程中，我们将面临人类的可塑性与可完善性等问题。
4 展望：迎接后基因组时代的到来
DNA双螺旋理论第一次让人类意识到，千姿百态的生命原来是由这么两条歪歪扭扭的东西所决定的。生命是如此简单以至于我们错误地认为只要将这两条螺旋搞清楚，就可以掌握人类自身的一切。很幸运的是大多数科学家对此已开始有了清醒的认识。HGP的完成离解开生命的奥秘仍然有漫长的路要走，这条道路的名称是后基因组时代。不论这条道路有多漫长，一件事已经达成共识，随着人类基因组计划的即将完成，真正有意义的探索将不来自序列而是来自对基因怎样被调控的解答。
无论如何，要HGP对诸如胚系基因治疗等伦理道德困境负责是不公平的。这些问题在计划实施前就已初现端倪，甚至从遗传学应用于人类时就意味着潘多拉魔盒的降临。HGP不是引起了新的问题，只是扩大了它的范围。HGP的发展已经超出了人们的预料，它使生命科学面目一新。其成果已反映在医疗临床和制药产业上。对人的生命观、人生观也会带来巨大冲击。因此如何克服其消极影响、最大限度地发挥其积极作用，使其为人类造福是已经摆在人们的面前的任务。而HGP对人类社会的终极影响/意义或许要很多年后才清晰可见。
参考文献
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［6］ 张腾飞，钱关祥，陈诗书.人类基因治疗研究的现状［J］.生命的化学，1999，19(1)：11-12.
基因组学应用范文第7篇
基因工程的发展促使它成为生命科学研究的核心学科。一般高校都将基因工程这门课作为专业必修课在大三的第二学期开设，其先修课程为生物化学、遗传学以及分子生物学等。基因工程的课程内容具有两个特点:一是教学内容与其他学科紧密相连。基因工程不仅与生物化学等基础课程的内容相互联系、交叉重叠，同时又与细胞工程、蛋白质工程、微生物工程等应用性课程相互呼应与衔接。二是内容涵盖面广，更新发展快。随着人类基因组计划的完成，生命科学的研究已经由基因组时代进入到后基因组时代，单纯的基因测序以及基因工程技术已经不能满足人类对生命信息的探索与追求。后基因组时代到来的标志就是功能基因组学研究的兴起。功能基因组学研究涉及转录组、蛋白质组以及代谢组等多个方面，多学科的交叉研究使其发展迅速。综上两个特点，为了避免课程知识上的教学重复，同时又能在有限的教学课时内将基础知识与最新、最前沿的研究信息最大程度地传授给学生，笔者对课程的教学内容及其对应的教学课时进行适当的调整。以往的基因工程教学内容共有11章32学时，可归纳为4个部分:第1章，基因工程学发展历史概述、基因工程的基本概念(4课时);第2、3章，基因工程的基本原理及技术，主要围绕基因工程的基本构件载体和工具酶(12课时);第4～10章，基因工程实施的三大步骤，包括DNA体外重组、重组DNA导入宿主细胞后扩增和表达以及基因工程后处理(12课时);第11章，基因工程的应用与前景(4课时)。笔者在此基础上对教学内容进行了适当合理的取舍与增加，做到突出重点，加强基本概念和原理的理解，通过列举实际应用研究来介绍相关的技术与方法。同时整合课时分布，在原有的32课时中拿出8课时介绍功能基因组学研究的知识。其内容主要围绕克隆与表达后的目的产物(蛋白质)的提取、分离、纯化与鉴定的方法、原理以及技术。调整后的课程安排如表1。通过此番改革教学内容，一方面可以开拓学生的视野，帮助学生了解基因工程以及功能基因组学的理论知识和实际应用领域;另一方面也可以激发学生学习基因工程的积极性与主动性。
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。
4结语
基因组学应用范文第8篇
在这篇评述文章中，我们想聚焦于米歇尔教授对食品科技前沿进展所引发的伦理问题的讨论，尝试对“技术时代我们如何养活自己”这一充满争议但又极具现实性的主题做些思考。1995年，莱斯特•布朗首先提出了“谁来养活中国”这一警示性问题，理由是中国人口在快速增加，中国人的膳食结构随着经济的高速成长正在走向多样化，对动物蛋白的需求将超过世界农业生产能力［2］。然而幸运的是，借助于现代育种、化肥等高效农业技术，中国以占世界7％的耕地养活了占世界22％的人口，在20世纪90年代末成功地实现了农产品从“长期短缺到总量基本平衡、丰年有余的历史性转变”［3］，用强有力的现实回击了布朗的质疑。目前，有学者提出“中国已经没有拒绝转基因的资本”，理由是中国的粮食产出和需求之间存在突出矛盾，无法采用传统的方法来满足需求［4］。是不是中国除了推进转基因商业化，已没有别的办法解决自己的饭碗问题，养活自己，而且这样的选择是否具有伦理上和政治上的合理性？或许米歇尔教授的观点会对我们提供有益的启示。
作为一位谨慎的科学乐观主义者，米歇尔教授首先强调，从古至今，人们一直对食品生产有各种乌托邦式的期盼。科学和技术总是与食品生产领域中的动人承诺和美好期盼相关联，并推动着食品生产的进步。科学食品、科学烹饪、科学饮食，这些词汇代表了20世纪兴起的一种理想观点，即科学和技术将使人类摆脱自然的不确定性，获得对食品的彻底控制。现代食品科学向我们承诺，将生产出便宜、健康而美味的食品。现代农业和食品产业的一个重要特征，是大规模生产、大规模消费的集约化的单一农作物种植生产体系迅速发展。不仅如此，生命科学，特别是基因组学和营养基因组学的最新进展，还可能引发农业和食品产业的根本性变革，从基因组层面更好地进行粮食生产、食物选择和搭配。
然而，威胁、风险和不确定性与之俱生。单一种植的商业化农业可能导致农业生物多样性的锐减，无法满足消费者和多元化的需要，还可能破坏自然景观，危害农业和食品产业的可持续性。新农业和食品技术的进展，可能使人类的一些基本价值或饮食习惯受到影响，例如面向特定目标群体开发的食品不能用于非目标群体，否则会出现伤害。特别地，转基因食品的反对者将这类食品称之为“弗兰肯食物（Frankenfood）”，声称“科学技术对神奇植物的研究将会从冒险性的救赎追求蜕变成地狱之旅，最终将产生自然影响微乎其微的人造食品”。
如何化解生命科学和技术在农业和食品产业应用中的风险和不确定性呢？米歇尔教授认为，实践的观点和商谈伦理学的方法是关键。他指出，生命科学的近期发展，使得农业和食品领域的实践发生了一系列变革。生命科学改变着这些实践，并要求修改传统标准和规范体系。例如，健康诊断、健康检查和健康咨询，这些过去在医学部门开展的项目也在食品行业变得普遍起来。基因组学和营养基因组学的发展正在塑造全新的食品概念和食品实践，并将模糊食品和药品的界限。这些新食品实践将个体对食品的选择权赋予健康咨询顾问、营养学家和超市经理等，并使其与科学的最新进展相关联。
根据米歇尔教授的分析，基于营养基因组学的食物链，技术和规范的相互作用具体体现在如下六种实践活动中：分子生物学分析与对基因和功能关联性测试的科学实践；识别通常拥有共同基因图谱群体的科学实践或流行病学实践；基于“从田间到餐桌”、营养科学或设计科学的生产食品和药品的技术与科学实践；为消费者和患者提供这些食品的服务中介，包括家庭医生、药剂师、营养学家等的实践；超市的实践；有关市场化后的监控实践，如安全标准、实施和控制。基于这些全新的实践，基因组学和营养基因组学正预示着食品个性化时代的到来，将以全新的方式密切专家和普通大众之间的联系，凸显专业人士和消费者／患者之间的新关系和新的互动方式［1］166。借助于基因图谱，专家可以根据每个人的遗传特性来确定其冠心病的几率，判别哪些饮食习惯或哪种类型的食品对其健康有益，并开发针对特定人群的功能性食品。这种定制的方式意味着必须筛选、取样和储存消费者的个人信息以便为其准备个性化的食谱。总之，将生命科学和相应技术嵌入社会实践，意味着将科学的社会实践向其被应用的社会实践开放，并寻找这些实践和冲突之间的联系。
米歇尔教授还以功能性食品为例，对这种个性化趋势做了多层面的思考。功能性食品可能以某种方式有益于健康或改善一些身体机能，如减少罹患疾病的风险，降低胆固醇水平和血压等。或许是因为年龄的原因，米歇尔教授对这类功能性食品大唱赞歌，认为基因组学和相关的功能性食品引发了一种从适合每个人的均衡饮食到专为个体定制的最佳营养饮食的转变。但是，功能性食品并不总是有益无害的。即使像维生素A和D那样分解脂肪的维生素，在大量服用时也会产生健康问题。所以，功能性食品的开发和商业化自然也是公众辩论的热点话题。米歇尔对此总结道，有关功能性食品的社会辩论，除了涉及对相关的健康风险等问题进行规制和监管外，还有许多文化层面的考虑。如一些人担心食品科学和技术所带来的诸多功能性食品会毁灭整个饮食文化，引导消费者不为乐趣而只为健康进餐，结果是科学的食品话语主导了我们的日常饮食生活。还有人担心食品和药品界限的模糊甚至消失可能导致社会生活或饮食文化的医学化，使社会个体越来越依赖于食品专家的设计，最终使食品生产商变得越来越像药剂师和医生。我们吃东西不再出于乐趣，而是因为其包含适量的抗氧化剂或Ω－3脂肪酸，这意味着像味道、口味等的消失和人类饮食文化的丰富多样性的丧失。米歇尔教授对此也忧心忡忡，他特别指出：“如果功能食品变得很普遍，这将会导致彻底的个性化，其彻底程度远超过人们所梦想的。这将意味着膳食最终完全消失，每个人根据健康和食品科学的流行观点只吃有益于他或她健康的东西，这些东西将因人而异。我们的基因图谱将决定我们吃什么，而不再是我们所属的文化或个体的哲学体系。”
“技术时代我们如何养活自己”的问题涉及文化价值、营养和食品的多层意义。米歇尔教授对这一问题的回答，基于个体性的自由主义立场，侧重于对生命科学和基因组学等科学和技术进步对个体人饮食方式的影响，这不同于东方文化中集体主义的视角。在东方文化语境中，我们更多采用的功利主义立场，将问题的求解域锁定在如何通过技术或其他手段来增加食品的总量供给，而不考虑个体的权利和对食品多样性的选择权。不同的文化视角，可能引出不同的伦理主张。东方文化可能将粮食安全（food secu－rity）作为首要的政府责任或义务来讨论，而米歇尔教授所表达的西方文化观点则强调消费者和相应的知情权及选择权，明确地将食品安全（food safety）和食品多样性作为政府规制的第一要务。
基于历史的、社会的实践观点和商谈伦理学的方法，米歇尔教授进一步强调指出，科学和技术持续地要求嵌入和控制，并通过公众辩论、政府和组织得以建构。这“不是为了防止其有害影响，因为这几乎是不可能的，而是为了更好地应对这些影响，以使其明显的优势和缺陷无论在什么地方都可以得到发挥和弥补，同时也为了更好地在不同科学和技术道路之间做出选择”［1］122。在某种意义上，新技术发展可看作是对公共道德框架的有趣挑战，它们并没有把先验作为动力来描绘分界线或擦去禁止标识。技术和伦理的共同进化清楚地表明，二者在相互作用中都发生了变化。因为“技术有广泛的伦理蕴含，伦理在本质上与技术相关联，没有哪一方可以保持稳定和不变”。他因此主张通过一种协商的方式来应对技术时代农业和食品产业中的风险和不确定性，寻找“技术时代我们如何养活自己”的策略。因为借助于这种方式，公众认知在经受公开辩论进行检验的同时能得到暂时尊重，同时消费者的能得到适当拓展，诸如食品选择的自、多样性以及对环境和后代的潜在影响等各种社会和文化因素也能得到充分考虑。