系统生物学——推动肾脏病临床研究的新动力
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系统生物学——推动肾脏病临床研究的新动力
在科学实践中,客观事物的复杂性与主观认识的局限性之间的矛盾始终是推动科学发展的基本动力。当肾脏病肾活检诊断开始从最初的组织形态学向分子诊断深入发展的时候,目前临床上一些用于作疾病诊断、观察病情变化的生理、生化和免疫学指标的局限性也显得越来越突出。这些指标更多地反映的是机体病理生理过程中的一些共性特征,缺乏组织结构与功能变化之间的内在联系,更无法展现疾病特定条件下的一些特征性改变。因此,如何从肾活检组织和血清及尿液标本中寻找到有助于肾脏病早期诊断,反映病情性质、程度和判断疗效更有针对性的生物标记物(Biomarkers)已成为肾脏病临床研究的当务之急[ 1, 2 ] 。要解决好这个问题需要对疾
病发展过程有一个系统的认识,这其中当然离不开与此相适应技术方法的改进。这些都促使我们重新思考以往经典实验生物学研究中存在的问题,并将探索的眼光投向当今医学研究最富挑战的新领域———后基因组和系统生物学的研究。
蛋白质组学和系统生物学
随着人类基因组计划基因组作图工作的完成,科学界已经开始利用人类基因组计划产生的研究成果,走入“后基因组学”的时期,即将基因组研究的重心由结构向功能转移。人类基因数量的有限性和结构的相对稳定,与生命现象的复杂多变性之间存在巨大的反差,这使人们开始认识到基因只是遗传信息的载体,要研究生命现象,阐明生命活动规律,仅仅了解基因的结构是远远不够的。对蛋白质数量、结构、性质、相互关系和生物功能的全面认识是揭开生命现象本质的重要环节。也正因为如此,蛋白质组学被真正地推向了后基因组时期生物医学研究的中心舞台。蛋白质组与基因组的根本不同是,一个机体只有一个确定的基因组,但是它们的表达产物蛋白质组却是一个动态的概念。在不同细胞,不同发育阶段,不同生理状况,不同外界环境下都不相同。正是这种复杂的模式,构成了各种复杂的生命活动,每一种生命运动形式都是特定蛋白质群体在不同时间和空间出现,并发挥功能不同组合的结果。它不是一个基因一个蛋白质的对应关系。因此,无论是基因组学/转录组学,还是蛋白质组学都不再是仅关心个别基因或蛋白质,它要研究所有的基因,所有的蛋白质之间的相互关系,从解释生命所有遗传信息,发展到从整体水平对生物功能的研究。这种科学研究重心的转移,不仅推动了生命科学的发展,而且,还应运而生了一门新的科学———系统生物学( systems biology) [ 3 ] 。系统生物学统领了基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学,是一门整合型大科学。它要将生物信息系统内不同性质、不同层次的构成要素(DNA →mRNA →蛋白质→蛋白 质相互作用网络→细胞→器官→个体→群体)整合在一起进行研究[ 3 ] 。生物系统的特性是“整体大于个体之和”,因此,对组成部分或低层次的分析并不能真正地预测高层次的行为。面对生命系统多层次的信息流以及蛋白质组学和代谢组学研究目前所面临的许多实际困难,要真正实现这种整合,还有很长的路要走。但是,很显然,过去几十年的克隆或发现生物反应中单个分子(某一基因或蛋白质)为主导的分子生物学研究,将逐渐让位于以研究生物系统在生理与疾病状态下的工作过程的系统生物学。
研究思路和方法的变革
与其他学科一样,肾脏病基础和临床研究大多沿用的是经典的实验生物学方法。实验生物学又被称为假设驱动的科学( hypothesis2driven science ) 。它是以还原论的观点,研究不同因子相互作用的线性联系,即甲因子作用于乙因子,乙因子再作用于丙因子。这种研究假设的提出是线性的,研究的发展是垂直型的,即采用多种手段研究个别的基因和蛋白质。如首先在DNA水平上寻找特定基因,然后通过基因突变,基因剔出等手段研究基因功能。在基因研究的基础上,研究蛋白质的空间结构,蛋白质的修饰及蛋白质的相互作用。基因组学、蛋白质组学则是水平型研究,即采取整体论的观点同时研究成千上万个基因或蛋白质以及它们之间的关系,这类研究又被称为“发现的科学”( discovery science orhypothesis2generating science) 。系统生物学的特点是将水平型研究和垂直型研究结合起来,在源头上探寻发现,再在机制上加以验证和深化。这种思维和方法对于肾脏病研究同样具有重要的启迪和借鉴作用。如对特定肾脏疾病特定肾组织结构转录组和蛋白质组的研究在展示疾病发生过程的同时,发现符合疾病生物标记物的相关分子,在此基础上应用实验生物学的手段加以验证,最终明确可用于疾病不同阶段诊断,判断预后,指导药物开发和疗效分析的生物标记物。因此,重新思考从经典实验生物学到系统生物学研究思路和方法的发展具有科学与哲学的双重意义。这种认识的提高不仅丰富了我们探索复杂生命活动本质的手段。而且,必将拓展和加速肾脏病临床研究。
蛋白质组学技术在临床研究中的应用
如果说系统生物学的研究是以微观与宏观相结合,结构与功能相结合为其特点,那么目前临床研究中许多困扰我们的问题恰恰就是上述两种关系的脱节。因此,临床研究呼唤系统生物学相关“组学”技术能给它提供新的工具和动力。从这个意义上讲,只有将蛋白质组学技术应用于临床研究才能使其实用性内含得以体现。在这方面我们已开始了一些尝试。例如,我们利用糖尿病肾病患者肾活检组织分 析其肾小球基因表达谱与正常人的差异,并试图通过剖解不同病期患者肾小球基因表达的变化特点,来发现相关分子的作用机制[ 4 ] 。当分析基因表达谱给我们的信息时,深刻地认识到没有后续蛋白质组的研究,将无法正确从基因组解读出有关蛋白质变化的信息。并因此催生了肾活检组织基因组和蛋白质组的系列研究。再比如,连续性血液净化技术在危重病症救治中发挥了独特的疗效,我们对其疗效机制的研究有不少新的发现,但始终无法全面地展示其实际清除能力,利用蛋白质组学技术,分析比较每次治疗前后及连续治疗过程中患者血液“蛋白质组图像”(p roteomic pattern)的变化,将为全面展现连续性血液净化技术的疗效机制提供有力的途径。当然,从目前临床上应用蛋白质组学研究手段所开展的相关工作,不难看出蛋白质组学在疾病研究中的应用才刚刚开始, 很多工作还是探索性的[ 5～8 ] 。应用蛋白质组学技术从患者肾活检组织、血清和尿液标本中筛选生物标记物还有很多非常具体的理论和技术问题尚未解决。而且,要完成动态,实时疾病发展过程的观察和研究,也不是简单地收集一组患者就能解决的问题。它需要有针对性的个体,更需要时间去观察其演变和发展,这一切绝非一般意义上的临床研究。尤其值得指出的是,系统生物学是典型的多学科交叉研究,需要生命科学、信息科学和计算机科学等的共同参与。方法学上也完全不同于传统的蛋白质研究,它需要借助高通量,高灵敏度的蛋白质分离技术,蛋白质鉴定技术和蛋白质相互作用研究技术,这一切都对现有研究人员、实验方法、硬件条件提出了新的要求。一句话,我们的肾脏病临床研究正面临一个转型时期,一个从相对单一实验生物学向综合性系统生物学的转型,一个向从源头上开掘更能反映疾病系统性过程的生物标记物转变的时期。毫无疑问,这种研究不仅是获得肾脏疾病生物标记物的主动和有效途径。而且,还有助于我们对以往大量有价值研究工作内容进行重新整合和再认识,使后基因组时期丰厚的基础研究成果真正在临床医学研究中加以应用,成为推动肾脏病临床研究的新动力。
参考文献
1 黎磊石,刘志红. 肾活检诊断将进入分子水平. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2003, 12 (2) : 101
2 Hewitt SM, Dear J, Star RA. Discovery of p rotein biomarkers for renal diseases. J Am Soc Nephrol, 2004, 15: 1677
3 Weston A, Hood L. Systems biology, p roteomics, and future of health care: Toward p redictive, p reventative, and personalized medicine. JProteom Res, 2004, 3: 179
4 吴义超,刘志红,曾彩虹,等. 糖尿病肾病患者肾小球基因表达谱及其与病情进展的关系. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2004, 13 (6) : 503
5 陈 珊,刘志红. 蛋白质组学研究方法. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2005, 14 (1) : 52
6 王瑞石,陈 珊,刘志红. 蛋白质组学在肾脏病研究中的应用. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2005, 14 (1) : 65
7 陈慧梅, 刘志红. 代谢组学及其研究方法和应用. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2005, 14 (1) : 59
8 范青锋,管 娜,丁 洁. 尿蛋白质组学在肾脏疾病生物标志物鉴定中的作用. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2005, 14 (1) : 71
来源：肾脏病与透析肾移植杂志 第14卷 第1期 2005年2月
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