生物信息學(xué)在中藥資源研究領(lǐng)域的推動(dòng)作用綜述

1、科目 成績(jī)12345678910總分-密-封-線- 院（系） 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 -密-封-線- 學(xué)號(hào) 姓名 班級(jí) 專業(yè)黃 岡 師 范 學(xué) 院 答 題 紙20 20 學(xué)年第 學(xué)期期 考試 ( A、B )卷 注意：1、密封線內(nèi)填寫(xiě)相關(guān)信息，請(qǐng)勿答題 2、請(qǐng)標(biāo)注好試卷紙每頁(yè)下面的頁(yè)碼數(shù)。學(xué)號(hào)： 生物信息學(xué)在中藥資源研究領(lǐng)域的推動(dòng)作用綜述中文摘要：生物信息學(xué)(Bioinformatics)是伴隨人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project，HGP)誕生的，興起于20世紀(jì)后期，在生命科學(xué)的各個(gè)科研領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是本世紀(jì)生命科學(xué)和自然科學(xué)重大前沿領(lǐng)域之一。中

2、藥資源(Chinese medicinal resources)包括植物類資源、動(dòng)物類資源和礦物類資源，是中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。其中，中藥植物資源是自然界來(lái)源最廣泛的中藥資源。生物信息學(xué)的興起和快速發(fā)展在全球取得的巨大進(jìn)展和成就，為中藥資源研究提供了新的研究方法技術(shù)和思路，并且極大地推動(dòng)了中藥資源的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文全面收集分析了生物信息學(xué)在中藥資源研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)生物信息學(xué)在中藥資源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為中藥資源生物信息的應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息和思路。 關(guān)鍵詞: 中藥資源; 生物信息學(xué)；綜述；Bioinformatics research in the field of traditio

3、nal Chinese medicine resources impetus Summary Lu HanSchool of Life Sciences Class 201201 Biological ScienceAbstract: Bioinformatics is born with the Human Genome Project (HGP) and rise in the late 20th century, is one of the major frontiers of life sciences and natural sciences of this century. Ext

4、ensive applications of bioinformatics in life science research field result in huge economic and social benefits. Chinese medicinal resources including plant resources, animal resources, and mineral resources is the basis for the development of Chinese medicine industry. Among them, the Chinese trad

5、itional medicinal plant resources is a natural source is the most widely used traditional Chinese medicine resources. The rise and rapid development of bioinformatics has made great progress and achievements in the world, provided new research methods and ideas for the study of traditional Chinese m

6、edicine resources, and greatly promoted the study of traditional Chinese medicine resources and industrial development. This article summarizes applications of common bioinformatics technology in study of Chinese medicinal resources, in order to provide basic information and methods for the study of

7、 it. Keywords: Chinese medicinal re sources; Bioinformatics technology; Summary;1前言生物信息學(xué)(Bioinformatics)是一門(mén)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究生物系統(tǒng)之規(guī)律的學(xué)科,是在大分子方面的概念型的生物學(xué)。包括了從應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科衍生而來(lái)各種方法，并以此在大尺度上來(lái)理解和組織與生物大分子相關(guān)的信息。應(yīng)用情 報(bào)分析的方法對(duì)國(guó)外近年來(lái)發(fā)表的生物信息學(xué)研究論文進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)調(diào)查分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查，總結(jié)出當(dāng)前國(guó)外生物信息學(xué)研究的熱點(diǎn)，供廣大專業(yè)人員和圖書(shū)情報(bào)人員參考。生物信息學(xué)的主要研究方向：基因組

8、學(xué) -蛋白質(zhì)組學(xué) -系統(tǒng)生物學(xué) -比較基因組學(xué)。它是伴隨人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project，HGP)誕生的，興起于20世紀(jì)后期，在生命科學(xué)的各個(gè)科研領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是本世紀(jì)生命科學(xué)和自然科學(xué)重大前沿領(lǐng)域之一13。作為一門(mén)薪的交叉學(xué)科和工具學(xué)科，生物信息學(xué)技術(shù)在揭示中藥次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生、解釋道地藥材形成的分子機(jī)制、選育抗脅迫的藥用植物和中藥鑒定新標(biāo)準(zhǔn)的建立等中藥資源研究中應(yīng)用廣泛。本文將對(duì)目前中藥資源研究常用的生物信息學(xué)技術(shù)進(jìn)行綜述。中藥資源(Chinese medicinal resources)包括植物類資源、動(dòng)物類資源

9、和礦物類資源，是中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)1。其中，中藥植物資源是自然界來(lái)源最廣泛的中藥資源。生物信息學(xué)的興起和快速發(fā)展在全球取得的巨大進(jìn)展和成就，為中藥資源研究提供了新的研究方法技術(shù)和思路，并且極大地推動(dòng)了中藥資源的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文全面收集分析了生物信息學(xué)在中藥資源研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)生物信息學(xué)在中藥資源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為中藥資源生物信息的應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息和思路。2研究方法2.1生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立數(shù)據(jù)庫(kù)是生物信息學(xué)的主要內(nèi)容和研究基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分類、收集、整理，產(chǎn)生了成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，幾乎涉及了生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，如核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)，蛋白質(zhì)、核酸、多糖的三維

10、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和其他種類數(shù)據(jù)庫(kù)。目前應(yīng)用比較廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)有：GenBank、EMBL、DDBJ等核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)和PIR、MIPs、swissProt蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)2。2.2生物芯片生物芯片是指通過(guò)微電子和微加工技術(shù)在固相基質(zhì)表面構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)集成在芯片上的分析微陣列，來(lái)分析細(xì)胞及其他的生物分子，快速獲取樣品的生物信息，也稱為微點(diǎn)陣(Micro Amy)技術(shù)。生物芯片技術(shù)具有高信息量、快速微型化、自動(dòng)化、成本低、污染少、用途廣等特點(diǎn)。常見(jiàn)的生物芯片有：基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片、糖芯片和芯片實(shí)驗(yàn)室等14。目前生物芯片技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于包括擬南

11、芥、水稻、玉米、番茄、草莓、松樹(shù)、大豆、白楊等植物物種中，新的芯片技術(shù)例如質(zhì)子束直寫(xiě)技術(shù)以及新型生物芯片例如數(shù)字微流控芯片、三維生物芯片。和低成本的一次性塑料生物芯片等是近年生物芯片研究的熱點(diǎn)。生物芯片技術(shù)雖尚處于幼年階段，仍然有許多需要改進(jìn)的地方，但芯片技術(shù)以其連續(xù)化、集成化、微型化的優(yōu)勢(shì)為科學(xué)家們所青睞，在植物科學(xué)領(lǐng)域迅速應(yīng)用4。生物芯片在植物方面的應(yīng)用主要集中在：基因表達(dá)檢測(cè)與新基因的發(fā)現(xiàn)；植物分子病理中的研究；植物逆境和營(yíng)養(yǎng)方面的研究；轉(zhuǎn)基因植物檢測(cè)及植物檢疫等方面，也為地道藥材科學(xué)內(nèi)涵的闡述提供了強(qiáng)有力的工具。丹參地道藥材cDNA芯片的構(gòu)建是以傳統(tǒng)藥用植物和地道藥材為研究主題的首張芯

12、片，得到的114個(gè)在丹參毛狀根不同時(shí)期差異表達(dá)的獨(dú)立基因(unjgone)中有52個(gè)為丹參中首報(bào)道6。在藥材的鑒定方面，李紹平等對(duì)川貝母、浙貝母、皖貝母和湖北貝母4種主要貝母品種進(jìn)行序列分析發(fā)現(xiàn)，以川貝母特有堿基序列cTITFGTcGQ TcA為探針制成的芯片，可準(zhǔn)確鑒定川貝母15。2.3 EST數(shù)據(jù)庫(kù)ESTs是cDNA克隆的一部分序列，攜帶了表達(dá)基因的部分遺傳序列，具有組織特異性。EST獲得快速、簡(jiǎn)便且廉價(jià)，是研究基因表達(dá)最有用的材料和基因組學(xué)的主要內(nèi)容，廣泛地應(yīng)用于基因組物理圖譜的繪制、基因識(shí)別、基因表達(dá)譜的構(gòu)建和新基因的發(fā)現(xiàn)等研究方向, 對(duì)EST數(shù)據(jù)的分析包括聚類前處理(preProce

13、ssing)、聚類(Clustering)、拼接(Assembly)和分析Analysis)。數(shù)據(jù)聚類分析對(duì)于EST的功能識(shí)別、剪接產(chǎn)物的區(qū)分、基因表達(dá)譜的分析都有很大的幫助，經(jīng)聚類和裝配得到的唯一序列代表了對(duì)所研究的物種(組織)在某一特定時(shí)間所表達(dá)的基因的隨機(jī)采樣的結(jié)果8。EST技術(shù)作為基因組學(xué)、功能基因組學(xué)與后基因組學(xué)之間的橋梁，已成為分子生物學(xué)研究的有力工具。EST技術(shù)最基本的方法就是建立EST數(shù)據(jù)庫(kù)。利用EST技術(shù)建立基因數(shù)據(jù)庫(kù)的其他藥用植物還有人參、薄荷、丹參、銀杏、甘草、長(zhǎng)春花舊、藏紅花等3。-密-封-線- 在藥用植物研究方面的另一重要用途是鑒別和發(fā)現(xiàn)藥用植物代謝途徑中的新基因?yàn)榈?/p>

14、地藥材遺傳多樣性、性狀關(guān)聯(lián)基因標(biāo)記、藥材真?zhèn)魏推焚|(zhì)優(yōu)劣的鑒別等提供新的技術(shù)手段5。EST的測(cè)序方法存在一定的誤差(精確度為97)，目前dbEST數(shù)據(jù)庫(kù)中EST并不精確，EST技術(shù)所獲得的也只是一種模擬序列，只能作為參考，對(duì)結(jié)果的最終確認(rèn)還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證10。盡管如此，EST仍然是獲取生物信息快捷和經(jīng)濟(jì)的方法。2.4序列比對(duì)密 封 線 內(nèi) 請(qǐng) 勿 答 題生物信息學(xué)分析方法種類繁多，但最基本的分析方法是以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的序列比對(duì)、新序列的識(shí)別、結(jié)構(gòu)和功能的預(yù)測(cè)以及軟件的研制等。序列的比對(duì)是生物學(xué)中最為基礎(chǔ)的一個(gè)部分。最常見(jiàn)的比對(duì)是蛋白質(zhì)序列之間或核酸序列之間的兩兩比對(duì)。通過(guò)分析序列之間的相似和差異，

15、尋找二者可能的保守區(qū)域、位點(diǎn)，探索產(chǎn)生共同功能的序列模式7。常用的序列比對(duì)方法有雙序列比對(duì)和多序列比對(duì)。隨著DNA測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，DNA序列分析在藥用植物的分類和系統(tǒng)關(guān)系、鑒定、地道性以及序列變異與藥用成分的關(guān)系等方面開(kāi)始得到了應(yīng)用，在推進(jìn)中藥現(xiàn)代化等諸多方面展用示出廣闊的應(yīng)景為地道藥材的研究注入了新的活力。 2.5測(cè)序技術(shù)DNA是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，包含著生命發(fā)生發(fā)展的遺傳特征，是地道藥材分子生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。小分子RNA如miRNA和siRNA等介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控是植物中的一種新型基因調(diào)控機(jī)制，在植物生長(zhǎng)、發(fā)育以及應(yīng)答外界脅迫等方面起到重要作用 。植物葉綠體基因組獨(dú)立于核基因組，屬丁

16、母系遺傳，具有高度的保守性和生物轉(zhuǎn)化的性狀穩(wěn)定性，物種進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育分析研究也是地道藥材研究的重要方向?；贒NA測(cè)序和序列比對(duì)的DNA條形碼(DNAbarcoding)是近年來(lái)分子生藥鑒定的研究熱點(diǎn)和方向。DNA條形碼最早是2003年由加拿大動(dòng)物學(xué)家Hebert提出，陳士林等認(rèn)為DNA條形碼技術(shù)在藥用植物鑒定中的成功應(yīng)用是中藥鑒定方法的革命性突破9。目前，道地藥材分子鑒定涉及到栝樓釓、川烏、草烏、人參、柴胡、木瓜、地龍、威靈仙、芍藥、土茯苓、浙貝母、丹皮、金銀花、金釵石、小茴香、山藥、京大戟、金錢(qián)草、天胡、過(guò)路黃、陽(yáng)春砂、草果、黃花蒿、天門(mén)冬、石豆蘭屬、廣藿香等諸多生藥12。陳士林等學(xué)者提出

17、了將ITS2作為藥用植物鑒定的通用條形碼序列的觀點(diǎn)，并在后續(xù)的研究中得到不斷論證。金錢(qián)白花蛇、烏梢蛇及酒烏梢蛇、蘄蛇及酒蘄蛇的分子鑒定方法應(yīng)用于2010年版中國(guó)藥典，這是中國(guó)藥典首次采用分子標(biāo)記方法鑒定藥材。蔡朝暉等發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地浙貝母的5SrDNA基因間區(qū)具有相同的堿基序列，總生物堿含量相當(dāng)且含有相同的單體生物堿，因此認(rèn)為不同產(chǎn)地浙貝母的差異不是由堿基序列引起，而是小環(huán)境因素造成的11。此外，ITS序列分析也被用于分析不同居群的遺傳差異，鐵皮石斛側(cè)、山參、太子參、陽(yáng)春砂等的DNA序列分析結(jié)果顯示ITS序列差異與居群類型存在相關(guān)性。2.6 生物云計(jì)算生物云計(jì)算(Biological Cloud

18、Computing)生物云計(jì)算是基于云計(jì)算(cloud computing)的新興生物信息學(xué)工具，將生物信息計(jì)算能力作為一種商品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行流通，為龐大的生物信息計(jì)算提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，在降低計(jì)算成本的同時(shí)也提高了研發(fā)效率。集成云計(jì)算面向服務(wù)的多自主體系統(tǒng)(CISM，Cloud Computing Integrated into Service一0rientedMulti-Agent)架構(gòu)允許發(fā)展動(dòng)態(tài)、分布式和高度可擴(kuò)展的生物信息軟件MapReduce、MPI和云計(jì)算在Alt，重復(fù)序列和EST構(gòu)建中的表現(xiàn)得出：云技術(shù)在處理大型數(shù)據(jù)集、移動(dòng)數(shù)據(jù)等方面可以達(dá)到簡(jiǎn)化的效果。此外，生物云計(jì)算平臺(tái)的

19、搭建也有相關(guān)的報(bào)道，如基于水稻功能組學(xué)研究的TTRSIS的建設(shè)一引和基于植物科iPlant Atmosphere的提出等。集成云計(jì)算面向服務(wù)的多自主體系統(tǒng)(CISM，Cloud Computing Integrated into Service一0rientedMulti-Agent)架構(gòu)允許發(fā)展動(dòng)態(tài)、分布式和高度可擴(kuò)展的生物信息軟件MapReduce、MPI和云計(jì)算在Alt，重復(fù)序列和EST構(gòu)建中的表現(xiàn)得出：云技術(shù)在處理大型數(shù)據(jù)集、移動(dòng)數(shù)據(jù)等方面可以達(dá)到簡(jiǎn)化的效果。目前比較成熟而實(shí)用的云計(jì)算產(chǎn)品有IBM藍(lán)云、亞馬遜Amazon Ec2、谷歌Google A PPEngine、微軟window

20、s Azure，以及后起之秀紅帽云計(jì)算服務(wù)16。2. 7 系統(tǒng)發(fā)育分析分子數(shù)據(jù)差異(不同的基因或DNA片段它們之間存在的進(jìn)化速率差異)研究物種的形成或進(jìn)化過(guò)程和機(jī)制，以及物種之間的進(jìn)化關(guān)系的一門(mén)學(xué)科，是生物信息學(xué)的一個(gè)重要分支。在中藥資源的研究中通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育研究，可以探討植物的分類群?jiǎn)柕南到y(tǒng)發(fā)育關(guān)系，以及進(jìn)化的過(guò)程和機(jī)制，可以了解物種間的進(jìn)化關(guān)系和歷史，探索物種的起源和未知基因的功能，進(jìn)行藥材差異性研究和微生物生態(tài)學(xué)的研究。系統(tǒng)發(fā)育分析：系統(tǒng)發(fā)育學(xué)也稱系統(tǒng)發(fā)生學(xué)(Phylogeny)，是基于分子數(shù)據(jù)差異(不同的基因或DNA片段它們之間存在的進(jìn)化速率差異)來(lái)研究物種的形成或進(jìn)化過(guò)程和機(jī)制，以及物

21、種之間的進(jìn)化關(guān)系的一門(mén)學(xué)科，是生物信息學(xué)的一個(gè)重要分支。在中藥資源的研究中通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育研究，可以探討植物的分類群?jiǎn)柕南到y(tǒng)發(fā)育關(guān)系，以及進(jìn)化的過(guò)程和機(jī)制，可以了解物種間的進(jìn)化關(guān)系和歷史，探索物種的起源和未知基因的功能，進(jìn)行藥材差異性研究和微生物生態(tài)學(xué)的研究。基于分子水平的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建方法可以分為四大類：(1)基于字符序列的方法：最大簡(jiǎn)約法MP；最大似然法ML)；貝葉斯法Bayesian17。(2)基于距離的算法是目前應(yīng)用最廣的一類系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建方法。其理論基礎(chǔ)是最小進(jìn)化原理(mini-mumevolution，ME)。兩個(gè)經(jīng)典算法是平均連接聚類法UPGMAU)和鄰接法NJ。此外還有FM法。(3

22、)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不再以距離矩陣為輸入數(shù)據(jù)，而是以序列為輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)序列地不斷學(xué)習(xí)，自適應(yīng)生成系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。(4)基于圖形表示的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建方法。3 總結(jié)與分析中藥資源(chinese Medicinal Resources)，是在一定空間范圍內(nèi)可供作為中藥使用的天然藥物及其蘊(yùn)藏量的總和，包括植物類資源、動(dòng)物類資源和礦：物類資源，是中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。其中，中藥植物資源是自然界來(lái)源最廣泛的中藥資源。作為一門(mén)薪的交叉學(xué)科和工具學(xué)科，生物信息學(xué)技術(shù)在揭示中藥次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生、解釋地道藥材形成的分子機(jī)制、選育抗脅迫的藥用植物和中藥鑒定新標(biāo)準(zhǔn)的建立等中藥資源研究中應(yīng)用廣泛。生物信息學(xué)技術(shù)在中

23、藥資源研究中應(yīng)用日趨廣泛和深入，不過(guò)生物信息學(xué)技術(shù)在中藥資源領(lǐng)域的應(yīng)用總的來(lái)說(shuō)還未成熟，只是處在初生階段，相關(guān)研究還是零散的，并不成系統(tǒng)，目前也沒(méi)有中藥資源的生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，不過(guò)生物信息學(xué)技術(shù)未來(lái)在揭示中藥資源生物學(xué)規(guī)律將發(fā)揮更大作用。參考文獻(xiàn)1 李紹平，生物芯片技術(shù)在中藥鑒定研究中的應(yīng)用與展望J世芥科學(xué)技術(shù)中藥現(xiàn)代化，2000，2 (3)：1582 楊培，閏微藥用植物在生物技術(shù)領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用J現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007，(19)：115一117，1193 楊世海，中藥資源學(xué)M北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006：115.4 懿菡，孫坤生物信息學(xué)研究進(jìn)展J青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，201l，(3)：69725 丁克越，沈巖ESTs數(shù)據(jù)分析及ESTs數(shù)據(jù)系統(tǒng)J國(guó)外醫(yī)學(xué)，2002，24（2)：113一116.6 羅艷，楊親二川烏與草鳥(niǎo)的ITs序列分析J中國(guó)藥學(xué)雜志，2008，43 (11)：820-8237 蘇雪，孫坤，張建清，等DNA序列分析在藥用植物鑒定中的應(yīng)用J西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，42 (4)：79868 唐先華，張曉艷，施蘇華，等睡蓮類植物ITs+nrDNA序列的分子系統(tǒng)發(fā)育分析J地球科學(xué)，2003，28 (1)：97-