秦田雨,秦靈靈,吳麗麗,孫文,潘雅婧,宋紫臨,張程斐,劉銅華
蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在中醫(yī)藥防治糖尿病及并發(fā)癥研究中的應(yīng)用進(jìn)展*
秦田雨1,秦靈靈2,吳麗麗3,孫文3,潘雅婧1,宋紫臨1,張程斐1,劉銅華4**
(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院北京100029;2.北京中醫(yī)藥大學(xué)科技處北京100029;3.北京中醫(yī)藥大學(xué)教育部中醫(yī)養(yǎng)生學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100029;4.北京中醫(yī)藥大學(xué)研究生院北京100029)
糖尿病是以長期高血糖為主要臨床特點(diǎn)的全身慢性代謝疾病。蛋白質(zhì)組學(xué)從整體蛋白質(zhì)的水平,更深入地發(fā)現(xiàn)和探討糖尿病的發(fā)病機(jī)制,現(xiàn)在在中醫(yī)藥研究中已有較多應(yīng)用。本文對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)在中醫(yī)藥干預(yù)糖尿病及其并發(fā)癥中的研究應(yīng)用進(jìn)行綜述,包括糖尿病及并發(fā)癥的中醫(yī)證候蛋白質(zhì)組學(xué)篩選驗(yàn)證,以及相關(guān)中藥藥理機(jī)制的蛋白質(zhì)組學(xué)分析,并進(jìn)行了展望,以期為中醫(yī)有關(guān)糖尿病的病機(jī)理論以及中藥作用靶點(diǎn)提供新的線索和依據(jù),深化中醫(yī)藥干預(yù)糖尿病研究。
蛋白質(zhì)組學(xué)糖尿病中醫(yī)藥證候
1994年,澳大利亞學(xué)者Wilkins等首先提出了蛋白質(zhì)組(Proteome)的概念,指一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的全部蛋白質(zhì)[1]。蛋白質(zhì)組學(xué)本質(zhì)上是指在大范圍上研究蛋白質(zhì)的特征,包括細(xì)胞內(nèi)隨時(shí)間變化的蛋白質(zhì)表達(dá)、翻譯后的修飾、蛋白之間的相互作用等,并且能夠從蛋白質(zhì)水平上全面而整體地認(rèn)識(shí)疾病發(fā)生發(fā)展的過程和機(jī)制[2]。其研究方法包括前期的樣本提取純化,中期的蛋白分離鑒定,以及后期的數(shù)據(jù)處理分析。蛋白質(zhì)分離技術(shù)包括雙向電泳(2-DE),雙相熒光差異凝膠電泳(2DDIGE)以及多維液相色譜技術(shù)。2-DE是等電聚焦電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-Polyacrylamide Gelelectrophoresis,SDS-PAGE)的組合。蛋白分離后再結(jié)合不同的質(zhì)譜分析方法進(jìn)行蛋白分析鑒定,目前主要應(yīng)用的質(zhì)譜鑒定技術(shù)主要有電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜(ESI-MS/MS),基質(zhì)輔助激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)和表面增強(qiáng)激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜(SELDI-TOF-MS)等;而定量分析技術(shù)包括iTRAQ、SILAC、SWATH等。酵母雙雜交技術(shù)則利用酵母的轉(zhuǎn)錄激活因子GAL4具有兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)域的特性來研究蛋白質(zhì)之間的相互作用,具有較高靈敏度。最后以生物信息學(xué)方法輔助獲取信息、并進(jìn)一步分析信息。
糖尿病(Diabetes Mellitus,DM)是以慢性高血糖為特征的代謝性疾病,影響了全球數(shù)億人口,其早期診斷和并發(fā)癥預(yù)防對(duì)治療疾病具有重要意義。糖尿病屬于中醫(yī)“消渴”范疇,中醫(yī)藥在防治糖尿病及并發(fā)癥方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。目前中醫(yī)藥干預(yù)糖尿病及并發(fā)癥的蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中于中醫(yī)證候和中藥藥理研究。中醫(yī)病機(jī)的復(fù)雜性與蛋白質(zhì)組表達(dá)的差異性都是機(jī)體即時(shí)動(dòng)態(tài)性功能狀態(tài)的反映,蛋白質(zhì)的多樣性和分子間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系與中醫(yī)病機(jī)復(fù)雜多樣和開放式網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)也有很多相似之處[3]。下面從應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)和方法研究糖尿病證候和藥物機(jī)制兩方面進(jìn)行綜述,將有助于解讀中醫(yī)病機(jī)理論以及中藥干預(yù)糖尿病機(jī)制的本質(zhì)和科學(xué)內(nèi)涵。
王琪[4]等采用iTRAQ同位素標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),對(duì)非腎虛痰瘀型和腎虛痰瘀型糖尿病患者,以及健康人的血液進(jìn)行分析,篩選差異蛋白,發(fā)現(xiàn)腎虛痰瘀與健康對(duì)照組相比,21種蛋白上調(diào)(微管蛋白、踝蛋白、胰島素樣生長因子2等),15種蛋白下調(diào)(血清白蛋白、抗凝血酶3、血小板反應(yīng)蛋白、角蛋白等)。腎虛痰瘀型與非腎虛痰瘀型組相比,13種蛋白下調(diào)(角蛋白2、角蛋白1、脂聯(lián)素等),7種蛋白上調(diào)(踝蛋白、微管蛋白等);其中提示通過對(duì)血小板反應(yīng)蛋白的關(guān)注,可以對(duì)早期腎虛痰瘀型2型糖尿病做出診斷。
糖尿病腎病常見于病史超過5年的患者,因而早期發(fā)現(xiàn)診斷腎損傷并依據(jù)證型辯證治療是很有必要的。柴可夫[5]等以早期糖尿病腎病患者尿液為標(biāo)本,用2-DE結(jié)合質(zhì)譜分析方法,進(jìn)行三種證候早期糖尿病腎病的比較蛋白質(zhì)組學(xué)研究,檢測出Nogo蛋白、單克隆抗體IgM在肝腎陰虛證高表達(dá),IgKappa鏈、轉(zhuǎn)鐵蛋白、動(dòng)力蛋白在氣陰兩虛證高表達(dá),分子量52047.8白蛋白、轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白、ɑl-抗胰蛋白酶在脾腎陽虛證高表達(dá)。其中廣泛參與炎癥趨化,損傷修復(fù)的Nogo蛋白可以作為三種證型的鑒別依據(jù),吻合了機(jī)體抗炎修復(fù)損傷機(jī)制與三種證型出現(xiàn)順序的關(guān)系,為中醫(yī)病證診斷客觀化提供了科學(xué)依據(jù)。
盧洪梅[6]等運(yùn)用熒光差異雙向電泳技術(shù)分析正常人與糖尿病腎病腎陽虛證患者血漿中蛋白差異表達(dá)譜,共發(fā)現(xiàn)泛素化因子、載脂蛋白E、補(bǔ)體成分C4、細(xì)胞角蛋白、補(bǔ)體C3等9種差異表達(dá)蛋白,可能成為糖尿病腎病中醫(yī)證型診斷的靶向性生物標(biāo)志物。盧洪梅還分析了正常人和早期糖尿病腎病腎陰虛患者血漿,篩選出表達(dá)差異大于1.5倍的蛋白斑點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)譜分析,鑒定出11種差異蛋白質(zhì),包括結(jié)合珠蛋白、凝溶膠蛋白、載脂蛋白AI,為總結(jié)腎陰虛證的一般規(guī)律奠定了基礎(chǔ)[7]。
未來如能應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)方法,建立常見的糖尿病證候圖譜,對(duì)于研究糖尿病患者的中醫(yī)體質(zhì)類型分布規(guī)律以及診斷、辨證施治、預(yù)防都將很有裨益。
單藥方面,有研究[8]通過蛋白組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)了瓜蔞水提物的蛋白質(zhì)組的組成,包括一種全新的蛋白成分,認(rèn)為瓜蔞蛋白可能是潛在的有降血糖效果的蛋白。另外有研究[9]應(yīng)用SELDI-TOF-MS技術(shù)首次發(fā)現(xiàn),在293個(gè)潛在生物標(biāo)志中,人參皂苷通過降低CRP減輕炎癥治療糖尿病及其并發(fā)癥,并后續(xù)進(jìn)行了ELISA方法驗(yàn)證,提示人參皂苷通過抗炎機(jī)制在治療糖尿病血管病變方面的前景。
復(fù)方研究方面,陳紅謹(jǐn)[10]采用同位素標(biāo)記技術(shù),利用高效液相色譜儀及四級(jí)桿-靜電場軌道阱質(zhì)譜儀,對(duì)糖尿病大鼠進(jìn)行串級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析,給藥組與對(duì)照組比較,共得到40個(gè)差異蛋白,其中上調(diào)大于1.5倍的蛋白有肉堿乙酰轉(zhuǎn)移酶等11個(gè),下調(diào)小于0.75倍的有表皮生長因子受體等29個(gè)。從蛋白質(zhì)分子水平上發(fā)現(xiàn)了復(fù)方益糖康能夠改善糖脂代謝的生物學(xué)基礎(chǔ)。
趙靜[11]應(yīng)用單純高脂高糖喂養(yǎng)以及高脂高糖聯(lián)合腹腔注射STZ復(fù)制出兩種2型糖尿病大鼠模型,運(yùn)用iTRAQ標(biāo)記蛋白組學(xué)技術(shù),比較觀察兩種模型的病理及中醫(yī)證候及血清蛋白組學(xué)特征,認(rèn)為STZ聯(lián)合高脂高糖飲食模型大鼠為氣陰兩虛痰瘀證,apoBl00、apoC4和FCN2可作為潛在的2型糖尿病生物標(biāo)志物,CYR61可作為潛在的氣陰兩虛痰瘀證生物標(biāo)志物;并探查益氣養(yǎng)陰化痰祛瘀方對(duì)氣陰兩虛痰瘀證2型糖尿病大鼠模型的分子作用靶標(biāo)(CDC42、RhoA、CYR61),揭示該方與該病證相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)。
在天芪降糖膠囊的研究中,研究者[12]應(yīng)用雙向電泳結(jié)合輔助激光解吸電離質(zhì)譜研究發(fā)現(xiàn),天芪降糖膠囊可以恢復(fù)四氧嘧啶造糖尿病模型導(dǎo)致的載脂蛋白E、載脂蛋白AI、Ig gamma-2A鏈C區(qū)蛋白下調(diào),以及轉(zhuǎn)體基因,結(jié)合珠蛋白,血清淀粉樣蛋白P-componen、凝血酶原的上調(diào),并且后續(xù)使用ELISA方法驗(yàn)證了該結(jié)果的準(zhǔn)確性。
消渴丸為含有中草藥和格列本脲的中成藥,臨床用于治療2型糖尿病。Zhang X等[13]在一個(gè)48周、納入800名患者的臨床試驗(yàn)之后,通過匹配要素選擇其中32例患者進(jìn)行血清蛋白質(zhì)組學(xué)分析,分為有/無低血糖的格列本脲治療組及有/無低血糖的消渴丸治療組。通過聯(lián)合運(yùn)用iTRAQ、LC及MS/MS技術(shù)對(duì)血清蛋白質(zhì)分別標(biāo)記、分離和鑒定。研究結(jié)果顯示,25種蛋白在無低血糖的有/無消渴丸治療中表現(xiàn)出不同豐度;21種蛋白在有低血糖的有/無消渴丸治療中表現(xiàn)出不同豐度;24種蛋白在無低血糖的有/無格列本脲治療中表現(xiàn)出不同豐度;25種蛋白在有低血糖的有/無格列本脲治療中表現(xiàn)出不同豐度。在無低血糖組中,有5種蛋白質(zhì),包括ɑ型胰蛋白酶抑制劑重鏈H4,膽固醇基酯轉(zhuǎn)移蛋白,載脂蛋白C,組蛋白H2B和ɑ2巨球蛋白,對(duì)這兩種藥物表現(xiàn)出相同的反應(yīng)豐度;在有低血糖組中,包括組蛋白H2B,載脂蛋白C,ɑ2巨球蛋白,ɑ間胰蛋白酶抑制劑重鏈H1,ɑ型胰蛋白酶抑制劑重鏈H4,補(bǔ)體成分C9,生物素酶和補(bǔ)體成分C8γ鏈這8種蛋白對(duì)兩種藥物的豐度變化相同。使用同樣藥物的有/無低血糖的患者血清蛋白差異程度大于不同藥物之間的差異。血清蛋白對(duì)兩種不同抗糖尿病藥物治療的反應(yīng)可作為敏感的生物標(biāo)志物來評(píng)估治療效果,并為后續(xù)機(jī)制研究鋪路。
糖尿病相關(guān)認(rèn)知減退是由糖尿病引起的以認(rèn)知障礙為主要癥狀的腦損傷,與認(rèn)知涉及的突觸中斷相關(guān),特別在突觸后密度的區(qū)域中,存在高濃度的接收和轉(zhuǎn)導(dǎo)突觸信息的蛋白質(zhì)。Chen J等[14]首次使用相對(duì)和絕對(duì)定量同位素標(biāo)記技術(shù)(iTRAQ)聯(lián)合LC-MS/MS技術(shù),鑒定糖尿病認(rèn)知功能障礙及滋補(bǔ)脾陰方治療后大鼠的突觸后密度蛋白表達(dá),每個(gè)樣本均分別進(jìn)行了三個(gè)生物性和三個(gè)技術(shù)性重復(fù)??瞻捉M與模型組比較有24個(gè)差異蛋白,模型組與治療組比較共有23個(gè)差異蛋白。其中“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白”和“PI3K-Akt信號(hào)通路”在糖尿病相關(guān)認(rèn)知減退中可能受損,而生長因子受體結(jié)合蛋白2可能是滋補(bǔ)脾陰方神經(jīng)保護(hù)作用分子靶點(diǎn)中的重要蛋白質(zhì)。
施翔等[15]研究復(fù)方滋補(bǔ)脾陰方對(duì)糖尿病認(rèn)知下降大鼠海馬的比較蛋白質(zhì)組學(xué)影響結(jié)果,發(fā)現(xiàn)并鑒定了滋補(bǔ)脾陰方藥的6個(gè)作用靶分子,為研究糖尿病相關(guān)認(rèn)知下降的發(fā)病機(jī)制和藥物作用靶點(diǎn)提供了新的依據(jù),也為中醫(yī)糖尿病病機(jī)理論的深化研究奠定了基礎(chǔ)。
Zhang T[16]等將大鼠通過注射鏈脲佐菌素建立大鼠糖尿病性周圍神經(jīng)病(DPN)模型,將大鼠分為模型組、硫辛酸組合糖絡(luò)寧組,對(duì)背根神經(jīng)節(jié)的線粒體蛋白進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析。結(jié)果顯示,與模型組比較,糖絡(luò)寧組有388個(gè)差異表達(dá)蛋白,其中線粒體復(fù)合物III顯著降低,谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化物酶顯著增多。與模型組比較,硫辛酸組有251個(gè)差異表達(dá)蛋白。與硫辛酸組比較,糖絡(luò)寧組線粒體復(fù)合物III增多,線粒體復(fù)合物IV減少。因此糖絡(luò)寧的抗氧化作用可能與通過調(diào)節(jié)呼吸復(fù)合體和抗氧化酶有關(guān)。
綜上所述,在中醫(yī)藥干預(yù)糖尿病的研究中蛋白質(zhì)組學(xué)方法和技術(shù)已得到相對(duì)廣泛運(yùn)用,并且取得了一定的成果。但其應(yīng)用中還存在許多技術(shù)上的不足,如重復(fù)性不夠理想,靈敏度低,定量精度低,數(shù)據(jù)庫信息不完整,研究需大量時(shí)間并且費(fèi)用昂貴等[17]。比如,雖然MALDI-TOF-MS是識(shí)別潛在疾病生物標(biāo)志物的最有效和最敏感的方法之一,但是有研究[18]使用MALDITOF血清分析方法沒有發(fā)現(xiàn)腎陰虛證和非腎陰虛證患者之間的血漿譜中的差異峰,最可能的原因可能是等離子體分析方法不夠靈敏,表明MALDI-TOF血清分析方法的可能性和局限性。而在某些情況下[19],使用不同的蛋白質(zhì)分離方法從蛋白質(zhì)組學(xué)分析中鑒定的蛋白質(zhì)中僅有<30%的重疊。因此在中醫(yī)證候研究中,應(yīng)鼓勵(lì)使用多種蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),比對(duì)結(jié)果互相參考。
更進(jìn)一步講,雖然蛋白組學(xué)有相比于其它組學(xué)不可代替的優(yōu)勢,如反映了基因與環(huán)境互動(dòng)下的蛋白質(zhì)實(shí)時(shí)變化,然而不可否認(rèn)兩種及更多組學(xué)方法聯(lián)合使用是闡明藥物反應(yīng)、生物學(xué)途徑和新型生物標(biāo)志物的有力工具,可以彌補(bǔ)一種技術(shù)的缺陷,是未來糖尿病中醫(yī)藥研究的趨勢。另外可以進(jìn)一步完善組學(xué)數(shù)據(jù)庫,具有節(jié)時(shí)、省力的長遠(yuǎn)獲益。
目前中醫(yī)藥糖尿病的蛋白質(zhì)組學(xué)研究多集中于比較糖尿病個(gè)體與正常個(gè)體樣品,篩查和鑒定其中差異表達(dá)的蛋白,分析的組織大多是尿和血清,可以進(jìn)一步比較不同組織中的蛋白質(zhì)組學(xué)差異。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展完善、研究數(shù)據(jù)的豐富和系統(tǒng)化,未來發(fā)展的重點(diǎn)將集中于針對(duì)部分具有標(biāo)記物功能的重要蛋白的功能進(jìn)行系統(tǒng)研究,為了解糖尿病及其慢性并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制、鑒定疾病的分子標(biāo)志、理解中醫(yī)整體證候的實(shí)質(zhì)、尋找中醫(yī)藥干預(yù)靶點(diǎn)提供新的途徑。
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Application Development of Proteomic Technology in Research of Chinese Medicine Preventing and Treating Diabetes and Its Complications
Qin Tianyu1,Qin Lingling2,Wu Lili3,Sun Wen3,Pan Yajing1,Song Zilin1,Zhang Chengfei1,Liu Tonghua4
(1.Collage of Chinese Medicine,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China;2.Technology Department of Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China;3.Key Laboratory of Chinese Medicine Healthcultivation of The Ministry of Education,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China; 4.Graduation School of Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China)
Diabetes is the general chronic metabolic disease,with chronic hyperglycemia as the main clinical characteristic.Proteomics discusses and explores the pathogenesis of diabetes more deeply from the overall level of proteins,which has been frequently applied in Chinese medicine research.This paper summarized proteomics application in the study of Chinese medicine intervening diabetes mellitus,including screening and verification of proteomics in Chinese medicine syndromes of diabetes and its complications,as well as proteomics analysis of pharmacological mechanism of related Chinese medicine.This paper also prospected its outlook,in hope toprovide new clues and basis for the pathogenesis theory of diabetes in traditional Chinese medicine(TCM)and functioning targets,and to deepen research on Chinese medicine intervening diabetes.
Proteomics,diabetes,Chinese medicine,syndrome
10.11842/wst.2017.05.010
R587.1
A
(責(zé)任編輯:韓馥蔓,責(zé)任譯審:王晶)
2017-05-11
修回日期:2017-05-20
*國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目(81373587):糖痹康干預(yù)糖尿病周圍神經(jīng)病變氧化應(yīng)激及其信號(hào)通路的研究,負(fù)責(zé)人:劉銅華;科學(xué)技術(shù)部國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2014BAT10B04):中藥干預(yù)糖調(diào)節(jié)受損臨床療效評(píng)價(jià)研究,負(fù)責(zé)人:劉銅華。
**通訊作者:劉銅華,本刊編委,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:中醫(yī)藥防治糖尿病及其并發(fā)癥的臨床和基礎(chǔ)研究。