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1、基金项目:国家自然科学基金项目(30873464, 90709013),国家科技 支撑计划课题(2006BA I08B05205)联系方式: shaolmail . tsinghua. edu. cn理论探讨中医证候生物分子网络标志的构想与研究李 梢(清华大学自动化系清华信息国家实验室生物信息学研究部,北京市海淀区清华园1号, 100084)摘 要 从网络的角度展开对证候生物学基础的探索,建立了从 “表型网络-生物分子网络-药物网络” 理解病证方关系的研究框架,由此进一步提出证候生物分子网络标志的构想,并进行了寒证与热证的案例研究。 进而分析了证候生物分子网络标志应用于证候客观化与个体化诊疗、
2、 中医药临床效应评价、 方剂与中药药性等研究领域的可能性。关键词 证候;生物分子网络标志;系统生物学;生物信息学中医学的基本特点在于整体观和辨证论治,以病 证结合、 方证相应,即 “病证方” 结合的诊疗模式为特 色。 证(证候)的生物学基础则是中医药现代化的关键, 目前研究较多的有血瘀证、 肾阳虚证、 寒证、 热证、 脾虚 证等,并形成了证本质研究、 证实质研究、 证候客观化、 微观辨证等多个学术生长点。 数十年来,证候生物学基 础研究不断取得进展,同时也凸现出了两个关键难点: 一是宏观的证候表型与微观的生物学指标之间的关系 十分复杂;二是缺乏阐释证候内在整体性的研究方法。 这两个难点的制约使
3、得证候的生物学基础成为中医药 现代化的瓶颈问题。 自1999年以来1,我们从生物分子 网络角度针对上述难点问题开展研究。 通过多年的探 索,形成了适用于阐释病证方系统内涵的 “表型网络- 生物分子网络-药物网络” 研究构架。 本文进一步提出 “证候生物分子网络标志” 的构想,以期为证候生物学 基础研究提供一种新的思路与途径。1 从生物分子网络角度研究证候生物学基础111 相互作用网络功能 证候生物学基础的研究进程与现代医学生命科学 的发展密切相关。 随着高通量生物学技术的进步及生 物信息学、 系统生物学等新兴交叉学科的快速发展,当 前医学生命科学的研究思维正发生从还原论向系统论 的转型,其中一
4、个重要标志就是从生物分子网络的结 构和功能来认识生命活动。 研究者认识到,机体的功能 并不能还原为个别生物分子的行为,而是由生物分子 的相互作用及其与外界环境之间物质、 能量与信息的 交换而产生,即基因、RNA、 蛋白质等生物分子通过多 层次复杂的相互作用而实现特定生物功能。 以生物分子网络来刻画这些复杂的相互作用及其系统行为,则 是21世纪生命科学的关键突破之一。 “相互作用网络 功能” 的研究思维,相继带动了网络医学2、 系统医 学3,以及网络药理学4等新进展,也为建立预测、 预 防、 个体化的医学诊疗模式提供了可能。 以上趋势与中 医学注重整体功能、 强调个体化与系统诊疗的特色具 有共通
5、之处,从而既为中医药研究提出了严峻的挑战, 又为理解证候宏观与微观之间的复杂关系,探索证候 生物学基础研究的新途径,提供了前所未有的契机。112 系统生物学研究策略与模式的变革 系统生物学这一名词虽新,但系统和整体的理念 却由来已久,例如中医的整体观、 亚里士多德 “整体大 于局部之和” 之说,乃至Besedovsky 1977年提出的神 经内分泌免疫(N E I)学说等。 然而既往系统和整体的 理念在长时期内主要停留在哲学思辨和经验的层面, 未能自上而下,而还原论指导下的医学生命科学研究 则往往是局部和分离的,难以获取整体信息。 直到20 世纪末系统生物学等交叉学科领域兴起之后,随着研 究策
6、略、 模式与方法的革新,这种两难的局面始有改 观,并迎来了理解各种生物系统的系统行为及其本质 原则的黄金时期。 系统生物学整合了数据驱动(data2driven)的自下而上式、 模型驱动(model2driven)的自上 而下式研究策略,融合了计算与实验的研究手段,即通 过计算模型产生可供实验验证的假设,通过实验检验 假设,从而获得系统与整体相关的规律性认识。 值得注 意的是,高通量的组学(基因组、 蛋白质组、 代谢组等) 技术本身可能只是大规模的还原分析5,需要依赖计 算、 建模等方法去推测其内在的系统。 因此,生物系统 的复杂性、 生物学数据的快速增长突出了生物信息学 计算方法的重要性,并
7、使之成为当前最具活力的前沿 学科之一。 目前研究表明,生物分子网络是复杂生物系 统的构建基础和重要表现方式2,网络的复杂性本质377中医杂志2009年9月第50卷第9期 Journalof TraditionalChineseM edicine, 2009,Vol . 50,No. 9 上就是 “关系” 的复杂性。 正是系统生物学以上研究模 式与策略的变革与进步,使从生物分子网络角度探索 证候的生物学基础具备了现实可行性。 我们通过多年 研究,提出了 “表型网络-生物分子网络-药物网络” 的框架6,对病证方关系取得了较好的理解,并为进一 步提出证候生物分子网络标志提供了基础(附图)。附图 用于
8、理解病证方关系的表型网络-生物分子网络-药物网络的研究框架,以及证候生物分子网络标志的示意图2 表型网络-生物分子网络-药物网络的研究211 以表型组合为基础研究证候“表型” 在医学上指症状、 体征等临床表现,是机体受基因表达和环境影响而表现出来的特征。 西医 “病” 、中医 “证” 均来自于对表型的观察。 我们通过调查病变部位、 量化诊断、 症状描述、 普遍状况、 环境因素5类、 共85项类风湿关节炎(RA)常见的临床表型信息,对中、西医诊断同一疾病(RA)的特点进行比较。 结果发现中、 西医学对RA的诊断方式差异具有显著性。 与西医观察相比,中医学侧重于疾病过程中环境因素的考察、以及症状信
9、息的全面采集与提炼,因此,有助于疾病复杂临床信息的归类,以及寒、 热等不同证候的判别7。同时,中医 “证” 更侧重于观察表型之间的关联,即通过特定的表型组合(四诊信息组合)来界定证候概念。 我们依据慢性胃炎、SARS等疾病的临床调查资料,分析并发现了与患者诊断(如慢性胃炎幽门螺杆菌感染)8、 客观指标(如SARS患者的SaO2)、 预后(如SARS患者死亡率)密切相关的特异表型组合9,从而给出了辨证论治一定的科学依据,并提示以表型组合为基础,可望进一步探索证候的生物学机制及其个体化诊疗内涵10。212 表型与基因的全局关联病、 证的概念均不是从分子机理上去界定的。 探索证候的生物学基础首先需要
10、建立宏观病证表型与微观 生物分子之间的联系,这也是当前医学生命科学研究 中的本质问题之一。 以往研究表型与基因的关系往往 采用 “点到点” 的方式。 中医学则注重四诊合参、 辨证论 治,即综合考察表型之间的关系。 借鉴中医学这一整体思维方式,我们从表型的整体联系出发,建立一种C I2PHER计算模型11实现了人类全部表型与基因的关联。 该模型有效地利用生物分子网络中的相互作用信 息来解释表型之间的相关性,据此寻找新的致病基因, 并实现了目前最高的致病基因预测精度。 运用该模型对5000多种人类已知表型进行全基因组范围的致病基 因预测,结果进一步发现表型与基因关系中的模块性 特征,即一组相关的表
11、型,其对应的基因在生物分子网 络中也具有较为紧密的连接11。 这一发现佐证了中医 辨证理论的合理性,并为进一步提出证候生物分子网 络标志的构想提供了原理上的支持,即表型的适当组 合,能够体现生物分子网络特定的网络结构与功能。 研 究建立的人类表型与生物分子网络的关联,也有助于 从复杂生物系统的角度重新理解病证,乃至沟通病证、 结合病证。213 表型N E I药物多层次网络N E I是维持机体稳态、 调节机体与环境相互作用 的枢纽,N E I学说的提出是现代医学研究从局部转向 整体的一个重要体现。 上世纪80年代以来,从N E I入 手研究证候的生物学基础成为热点。 然而既往研究对N E I生物
12、分子之间的复杂关系以及N E I与病证、 药物 的关联往往局限于描述性分析,缺少整体水平的研究 方法。 为突破这一局限,我们2006年提出了将 “概念性N E I” 转变为 “系统性N E I” 的新构想,通过分析、 整合N E I的典型调控环节,以及激素、 细胞因子、 神经递质 的相互作用,建立了国际首个N E I专题数据库db2N E I12。 此后,我们利用C IPHER方法发现,N E I表型 的相关基因在生物分子网络上连接最为紧密,即模块 性最为显著11。 并进一步参照病证方相结合的中医学 理论,在拓展N E I生物分子的多种相互作用、 转录因 子与m icroRNA的调控作用的基础
13、上,融合N E I相关疾病、 药物信息,综合构建了疾病表型- N E I-药物多 层次网络13,通过多层次网络分析发现了药物与疾病 之间 “同病异治” 、 “异病同治” 等特点。 这一研究结果为 从分子水平和系统层次理解病证方关系提供了例证, 并提示病证方之间的关系可抽象为 “表型网络-生物分子网络-药物网络” 之间的内在关联。3 证候生物分子网络标志的构想 既往研究表明,证是由许多因素组成的复杂系统,477中医杂志2009年9月第50卷第9期 Journalof TraditionalChineseM edicine, 2009,Vol . 50,No. 9 难以用单一的生理、 生化指标来表
14、达14。 如附图所示, 我们在表型网络-生物分子网络-药物网络研究框架 的基础上,从证候概念中的表型组合信息、 方剂的复合 干预效应出发,针对特定证候的生物学基础进一步提 出 “证候生物分子网络标志” 的构想:证候的形成与特定的生物分子网络密切相关。 证候生物分子网络具有 结构与功能两方面性质,在结构上体现为一定的网络 拓扑,即网络系统的连接形式;在功能上具有模块性特 点,即通过一组具有密切相互作用的生物分子集合实 现功能。 我们把符合下列条件的、 体现网络重要结构与功能的关键模块,称为 “证候生物分子网络标志”:与 特定证候的表型组合密切关联;能够有效区分其他 证候,即具有证候鉴别意义;能够
15、受到对证方剂的调 控。 比单一的生物分子更能鉴别不同证候特点,反映 方证关系。 同时,证候生物分子网络及其标志在病理生理过程中、 环境因素的影响下能够发生一定的动态变 化,并可以具有不同的兼夹形式,从而体现出证候的个 体化、 系统诊疗意义。4 证候生物分子网络标志的案例研究411 寒证、 热证的生物分子网络标志寒、 热是中医的基本证候以及其他复合证形成的 基础,反映了机体阴阳偏盛偏衰、 病邪属阴属阳的基本 性质。 我们从复杂生物网络的角度切入探索寒证、 热证 的生物学基础。 首先从寒证、 热证表型组合出发,构建 了基于N E I的寒证、 热证生物分子网络。 通过网络功能分析,发现寒证生物分子网
16、络以激素的功能模块为 主,热证的生物分子网络以细胞因子的功能模块为主, 神经递质功能模块共同分布于两个网络。 进而从 “异病 同证” 的角度验证了寒、 热证的两种功能特性:通过分 析比较21种寒证相关疾病、38种热证相关疾病的致病 基因分布,发现热证疾病的致病基因显著分布于细胞因子通路,两组疾病共同的致病基因显著分布于神经 递质通路。 同时,通过网络拓扑结构分析,发现寒热证 生物分子网络具有无标度(Scale2free)性质,即网络的 功能实现主要依赖于一些关键节点。 因此,从 “方证相 关” 的角度,将寒热证网络的多个关键节点作为靶点,以此观测寒、 热方剂干预炎症大鼠的生物效应,结果发 现热性方剂主要作用于寒证的网络关键节点,寒性方 剂主要作用于热证的网络关键节点,与 “疗寒以热药、 疗热以寒药” 的辨证治疗原则一致15。 综合上述网络 结构与功能特点,寒证、 热证网络关键节点所组成的功能模块分别符合以下条件:以寒、 热表型组合为基 础;具有寒、 热鉴别意义;能够有
