基因芯片在药物靶标研究中的应用

基因芯片在寻找药物靶标中的应用摘要：药物靶标的发现和验证是新药研发的第一步，也是药物筛选及药物定向合成成败的关键因素之一。随着基因组学、蛋白组学、生物信息学的快速发展，药物靶标的发现和验证技术日新月异。本文综述了从基因芯片的角度筛选药物靶标的研究进展。关键词：基因芯片，药物靶标，研究进展21世纪是生命科学的世纪。随着人类基因组计划的实施和完成，基因工业也迅速发展，基因芯片就是在这种背景下发展起来的一项高新生物技术产物。基因芯片，又称DNA微探针阵列(microarray)，是在固体基片表面上集成已知序列的基因探针，被测生物细胞或组织中大量标记的核酸序列与上述探针阵列进行杂交，通过检测杂交探针的位置，实现基因信息的快速检测。基因芯片是分子生物学和微电子学及信息学相互结合所形成的新型技术，利用基因芯片，可以实现基因信息的大规模检测。这一技术的成熟和应用特在新世纪里给遗传研究、疾病诊断和治疗、新药发现和环境保护等生命科学相关领域带来一场革命。基因芯片应用主要分为两大类，一是用于研究基因型，一是用于分析基因表达。药物靶点发现与药物作用机制研究是基因芯片技术在药物研发中应用最为广泛的一个领域。人体是一个复杂的网络系统，疾病的发生和发展必然牵涉到网络中的诸多环节。DNA芯片可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参量同时进行研究以发掘药物靶点并同时获取大量其他相关信息。因此可以说，在这种情况下，任何一元化的分析方法均不及DNA芯片这种集成化的分析手段更具有优势。DNA芯片在药物靶点发现与新药研究中的应用具体表现在以下几个方面1、比较正常的不同组织细胞中基因的表达模式基因的表达模式给它的功能提供了间接的信息。例如只在肝肾脏中表达的基因就不大可能与精神疾病有关。一些药物的靶点是全身都有着广泛分布的蛋白质，这类药物的不良反应范围往往比较大。而选择只在特异组织中才表达的蛋白作为药物筛选的靶点，就可以减少药物对整体产生的不良反应，因而更引起人们的关注。例如骨质疏松（osteoporosis）与破骨细胞（osteoclasts）的功能有关，破骨细胞可以破坏并吸收骨质，当骨质的形成与破坏出现不平衡的时候，就会导致骨质疏松症。如果破骨细胞的功能得到抑制，那么就可以控制骨质疏松症的发生和发展。利用已有的人类EST序列和DNA芯片技术，可以得到只在破骨细胞中进行表达的一些基因如cathepsink基因，它编码半胱氨酸蛋白酶。以cathepsink基因作为靶标，筛选对它有抑制作用的药物，就有可能得到治疗骨质疏松症的药物。但是这种方法也有其局限性，它只能得到mRNA水平的表达谱，另外组织一般由多种细胞组成，而要将这些细胞分离很困难的。2,、研究正常组织与病理组织基因表达差异正常组织在病变的过程中，往往伴随着基因表达模式的变化。基因表达水平的升高或降低，可能是病变的原因，也可能是病变的结果。DNA芯片技术可以在病理组织与正常组织之间一次比较成千上万个基因的表达变化，找出病理组织中表达异常的基因。从而发现一组疾病相关基因作为药物筛选靶标．尤其适用于病因复杂或尚无定论者一。在阿尔茨海默病药物靶标研究中，颞叶作为认知功能区在AD病例中也会受到损伤。利用基因芯片技术比较中度痴呆患者与正常人脑部的颞叶区域，发现多个与神经递质相关基因表达发生了改变，如突触囊泡蛋白(synapticvesicleprotein)、突触蛋白IIa及N一乙基顺丁烯二酰亚胺．敏感因子，它们在中度痴呆患者脑部的颞叶表达下调。此外，还发现一些参加细胞迁移、蛋白质、脂肪酸代谢过程的转录基因家族等基因表达下调。这些突触可能参与了AD早期的认知损伤。2002年Colangelo等分析AD患者海马CA1区域12633个基因时发现，参与突触可塑性和金属离子代谢过程的转录因子、神经营养因子、信号元件等(如突触小泡蛋白、金属硫蛋白Ⅲ、金属调节因子．1等)表达量比正常组织中表达量明显减少；而参与炎症的信号传递过程和细胞凋亡等途径如编码APP，IL一1，NF．KB，FAS，DAXX等蛋白的基因表达量有所增强。这些研究结果为研究AD提供了线索。3、建立模式生物细胞中的基因表达模型采用模式生物细胞进行试验，条件容易控制，对模式生物基因表达的研究将启发人们发现和确认新的药物作用靶点。例如酿酒酵母（saccharomvcescerevisiae）就是一种可用来进行药物筛选的较为理想的模式生物。它是真核生物而且基因组已全部测序，细胞繁殖快，易于培养，与哺乳动物细胞有许多共同的生化机制。现在已经发现，在酵母细胞中存在许多与人类疾病相关的基因。如Botstein等得到了SGS1基因突变的酵母菌株，此突变菌株生活周期变短，细胞的表型特征与患有Werner's综合征入细胞相似。已有一些研究小组根据公布的酵母基因组序列，用PCR方法扩增了酵母6000多个开放阅读框（openreadingframe，ORF）片段，制成DNA芯片，在整个基因组的范围内对酵母的基因表达进行检测。4、建立病原基因的表达模型，由于病原体的基因组规模相对较小，可用包含其全部基因的DNA芯片鉴定那些对人产生毒害作用的基因，从而筛选出治病基因。芯片可以一次检测多种病毒，细菌等微生物，而且可以分别菌株和亚型，利于进行科研和临床治疗。异烟肼（isoniazid，INH）是治疗肺结核的常用药物，其治疗结核病的机制是它阻断了分枝茵酸的生物合成途径。根据已测序的肺结核杆菌基因组序列，用PCR方法扩增了3834个ORF（占全部ORF的97％），固化在玻片上，制成检测肺结核杆菌基因表达的DNA芯片。用INH处理敏感菌株，发现除了生化途径已清楚的与分枝菌酸合成相关的一些基因转录水平发生变化外，还发现EfpA基因的表达也被诱导发生了变化，推测EfpA基因也参与了分枝菌酸的生物合成，而EfpA基因只在分枝菌属中一些致病的种类中才存在，故EfpA基因可以作为治疗结核病的新靶点。另外，分别用INH和Ethionamide处理敏感菌株，获得了相似的基因表达谱，证实了两者具有相同的作用机制。5、研究药物处理细胞后基因是否变化药物与细胞（特别是敏感细胞）相互作用，将引起细胞外部形态及内部正常代谢过程的一系列变化。其内部生理活动的变化可集中表现在其基因表达的变化上。比较经药物处理前后组织细胞基因表达变化情况，能提供许多有价值的信息，如：①药物处理前后表达明显改变的基因与发病过程及药物作用密切相关，可能是药物作用的靶点或继发事件，可作为进一步药物筛选的靶点或对已有的靶点进行验证；②表达的改变利于研究的药物作用机理；③药物处理后基因表达谱的改变可使研究者对药物毒性及代谢特点有大致的了解。药物筛选要求平行、快速，基因芯片是一种高质量、多参数实时的筛选方式．可在短时间内同步分析几千个基冈．节省大量的人力物力．具有巨大的优越性。6、基因文库以寻找药物的作用靶点应用DNA芯片还可直接筛选特定的基因文库以寻找药物的作用靶点。如给酵母某一特定的呈单倍体状态的基因对应的位置上放置一个遗传标记，该标记可被DNA芯片所识别，那么通过比较药物作用前后用芯片检测整个文库的结果，便有可能获得药物作用的靶基因。研究者称此种筛选方式为haploinsufficiencydrugscreen。尽管用DNA微阵列芯片进行药物研究有着巨大的优势，但还存在如下一些缺点：①由于杂交样品制备复杂，采用DNA微阵列芯片很难实现高通量。②DNA微阵列芯片只能用于检测已知序列的基因。③由于灵敏度的限制，采用现存的DNA微阵列芯片难以检测到表达水平很低的基因。基因芯片技术的出现不过短短几年时间，其发展势头十分迅猛，在生命科学的各个领域得到广泛应用，但其缺陷也是相当明显的。首先是成本的问题，由于芯片制作的工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其高昂的费用；其次，在芯片实验技术上还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度是研究的焦点。基因芯片目前在技术也上会产生假阳性、假阴性，影响结果分析。另外，基因芯片一次杂交实验将产生大量的实验数据，必须借助于计算机进行数据处理和分析，利用信息处理方法得到准确可靠的检测结果，数据处理较繁琐。参考文献：【1】生物芯片在药物靶点发现与药物作用机制研究中的应用,丁香通药学频道【2】生物芯片与新药筛选研究，中国健康网-医药产业，2002-5-22【3】孙啸，王晔，基因芯片设计及数据分析软件系统，东南大学学报，第3O卷第5期2000年9月【4】陆祖宏，何农跃基因芯片技术在药物研究和开发中的应用，药学前沿【5】李德良，基因芯片技术在药物研究中的应用国外医学药学分册20O3年2月第30卷第1期【6】黄璜，程肖蕊，周文霞，张永祥，基因芯片在药物靶标研究中的应用军事医学科学院院刊2006年l2月第3O卷第6期。【7】成丽俊，基因芯片技术在药物筛选中的应用，南京医科大学生殖医学江苏省重点实验室(210029)【8】翟鹏，童坦君，基因科学的革命—基因芯片技术，生理科学进展2000年第31卷第2期。