中药高通量转录组研究进展(1)

http://www.100md.com 2014年5月1日 《中国中药杂志》 2014年第9期

     [摘要]中药是中华传统文化的瑰宝，是中华民族智慧的结晶。新方法技术的不断应用使得中药研究与时俱进。高通量转录组研究经过数年的发展，已经成为一项较为成熟的研究手段。该文对中药转录组研究概况进行了综述，比较了Roche公司的GS FLX^TM平台和Illumina公司的HiSeq^TM 2000平台两大测序平台，介绍了中药转录组分析的流程，并以西洋参和金银花为例，阐述了中药转录组研究的特色。对传统中药进行高通量转录组研究，可以从整体水平上了解目标物种的功能基因概况，明确活性成分的代谢通路，为中药研究奠定分子生物学基础，为传统中医药理论提供现代生物学阐释。但是，目前的中药转录组研究仍面临着分子基础薄弱，测序投资成本高，分析人员紧缺等困难。未来，伴随测序技术的发展与完善，转录组与蛋白质组、代谢组等组学的联合应用，将为开创高通量筛选与高效率研发相结合的新型中药产业发展模式奠定坚实的基础。

    [关键词]中药； 转录组； 西洋参； 金银花

    中药经过数千年的积累沉淀，承载着丰富的中医理论。近年来，中药研究进展飞速，不仅为医药产业提供了巨大的新药创制资源，更成为未来多靶点药物研发的源泉，弥补了西药治疗位点单一的不足。目前，指纹图谱技术和质谱色谱技术的应用，促进了中药有效成分的发现与鉴定^[1-2]。然而尚有许多中医药理论因缺少现代自然科学的支撑和验证，难以被社会所接受。转录组(transcriptome)是指特定生物体在某种状态下所有基因转录产物的总和，转录组研究属于功能基因组学研究的范畴，是连接基因组与蛋白质组的纽带。转录组研究着重于功能基因的表达，阐述生物学过程中的分子机理，已经成为生物学领域较为成熟的研究手段。应用高通量转录组分析技术，可以从基因层面上解读中医药的现代内涵，阐述中药有效成分的代谢通路，为高通量发掘新型活性药物成分奠定了坚实的基础。自2009年以来，已有青蒿Artemisia annua^[3]、西洋参Panax quinquefolius^[4]、淫羊藿Epimedium Sagittatum^[5]、金银花Lonicera japonica^[6-7]等数种传统中药材进行了高通量转录组的测序和分析。本文综述了转录组技术在中药领域的研究进展，对金银花、西洋参等代表物种的研究进行了详细阐述，总结了中药转录组分析的特色与不足，并对中药转录组的研究进行展望。

    1中药转录组研究

    1.1中药转录组研究概况

    截至2014年1月，已有17种中药进行了高通量转录组的研究。其中，开展研究最早的是青蒿A. annua^[3]，随后，中药转录组研究发展迅猛，2012年，有8种中药进行了转录组研究(表1)。除了胡黄连Picrorhiza kurrooa^[8]和百合Lilium regale^[9]，剩余的15种中药的转录组测序工作均由中国人完成，体现了我国在中药研究领域的霸主地位。早期的转录组测序主要以GS FLX^TM System和GS FLX^TM Titanium System平台为主；到2012年，主要的测序平台变为Illumina HiSeq^TM 2000；只有罗汉果Siraitia grosvenorii^[10]和金银花L. japonica^[6]的转录组研究采用了Illumina GAⅡ platform平台。金银花L. japonica^[6]注释得到的基因数目最少，为5 330～6 591个，梅花鹿鹿茸Cervus nippon [14]注释得到的基因数目最多，为138 642个。梅花鹿鹿茸转录组注释得到了较多的基因，除了其本身基因丰富、可变剪切较多之外，还可能是由于其转录组的拼接效果较差，contig的N50为90 bp，使得原本由多个外显子构成的基因注释成了分别的几个较短的基因，从而使得注释得到的基因数目偏多。

    1.2中药转录组的测序平台比较

    表1可知，中药转录组研究的两大平台为Roche公司的GS FLX^TM平台和Illumina公司的HiSeq^TM 2000平台。GS FLX^TM平台的历史可以追溯到2005年，454公司推出了基于焦磷酸测序法的高通量基因组测序系统^[22]，这一技术开创了边合成边测序(sequencing-by-synthesis， SBS)的先河，其后的第二代基因组测序系统——Genome Sequencer FLX^TM System(GS FLX)^[23]就是在此基础上建立起来的(图1)。454公司被Roche公司收购之后，于2008 年10 月，推出了全新的测序试剂——GS FLX^TM Titanium，全面提升了测序的准确性、读长和测序通量。目前，Roche 454 GS FLX^TM Titanium System每次运行能产生100万条序列，平均读长能达到400～600 nt，且第400个碱基的准确率能达到99%。一次运行所需时间不到10 h，便能获得40 Gb左右的测序数据。HiSeq^TM 2000平台是Illumina公司Solexa平台中最为成功的商业化型号，一次运行可以获得60亿条序列，总数据量达到540～600 Gb，弥补了平均读长较短的不足^[24]。其测序的原理基于桥式PCR，HiSeq^TM 2000平台在此基础上改进了聚合酶，并使用甲酰胺变性，提高了桥式PCR的扩增效率(图1)。另外，HiSeq^TM 2000平台价格相对较低，因此，成为目前应用最为广泛的二代测序平台。(张召宝 侯林 潘晴 王绪敏 崔清华 田景振 马鲁豫)

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