全 文 ：·专论·
开展“中药基因组计划”的研究
肖乐义 1 ,薛歧庚 1 ,董建军 1 ,赵天增1 ,梁晓天2 ,于德泉 2
⒇
( 1. 河南省科学院 ,河南 郑州　 450002;　 2. 中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所 ,北京　 100050)
摘　要 : “中药基因组计划”的根本点就在于从基因组学的高度 ,从分子水平上来发现、研究中药的基因 ,寻找有效
成分基因 ,将功能基因克隆表达进行“工厂化生产”或转入植物 (转基因植物 )进行“田间种植” ;寻找、发现克隆表达
那些用于合成具有生物活性小分子有机物的酶基因 ,利用代谢工程在实验室合成这部分中药的有效成分。 阐述开
展中药基因组计划的主要内容和意义。
关键词: 中药现代化 ;基因组学 ;中药基因组计划
中图分类号: Q789　　　文献标识码: A　　　文章编号: 0253 2670( 2001) 01 0001 03
Studies on strategies to launch“ Traditional Chinese Medicine Genome Project”
XIAO Le-yi1 , XUE Qi-geng1 , DONG Jian-jun1 , ZHAO Tian-zeng1 , L IAN G Xiao-tian2 , YU De-quan2
　　 ( 1. He nan Academy o f Sciences, Zheng zhou He nan 450002, China; 2. Institute o f Materia Medica, Chinese Academy
o f Medical Sciences and Peking Union M edical Colleg e, Beijing 100050, China )
Abstract: The fundamental principle of the“ Tradi tiona l Chinese Medicine ( TCM ) Genome Project” is
to car ry out genomic studies f rom the molecular lev el to discover ef fectiv e functional g enes in medicinal
plants which may be cloned and expressed in factories o r to t ransfer into plants for field cultiv ation.
Ano ther approach is to carry out resea rch studies to obtain enzymic genes capable of synthesizing bioactiv e
compounds to be replica ted in labo rato ry metabolic engineering processes. The subject mat ter of “ TCM
Genome Project” and i ts signi ficance fo r the modernization of TCM were expounded.
Key words: modernization of TCM; genomics; Tradi tional Chinese M edicine Genome Project
　　中药是我们的国粹 ,是世界医药学的重要组成
部分。中药现代化是历史和时代发展的必然 ,这不仅
是其本身发展的需要 ,也是世界医学及现代科技发
展之必然。中药现代化就是利用现代科学技术 ,特别
是现代生物技术来研究开发现有的中药 ,把几千年
的传统中药提高到时代的先进水平。
“中药基因组计划”是中药现代化的重要组成部
分 ,其根本点就在于从基因组学的高度 ,从分子水平
上来发现、研究中药的基因 ,寻找有效成分的功能基
因 ,开展中药基因制药及转基因 ;发现、克隆、表达那
些次生代谢产物的酶基因 ,利用代谢工程在实验室
生产中药的有效成分 ,改良和培育新的品种及保存
中药的种质资源和基因资源。从整个基因组的水平
来阐明重要的、常用的或珍稀濒危品种的植物性中
药基因在染色体的位置、结构、基因及其产物的功
能、基因与基因之间的相互关系 ,搞清功能基因和次
生代谢的酶基因 ,进而“工厂化生产”或“田间种植”。
1　中药基因组计划的主要内容
1. 1　染色体的分离与制备:在研究一种植物中药基
因时 ,首先要搞清该植物核基因组有几条染色体及
染色体的形状 ,这是后续研究的基础。植物不但有单
倍体而且还有多倍体 ,其染色体数目多少不等。植物
中药种类多 ,其染色体数目可能差别较多。
1. 2　核酸的分离提取
1. 2. 1　 DNA的提取:在显微镜下挑选分散好的染
色体 ,用微细玻璃针在显微镜操作器下进行分离 ,将
分离的单条染色体直接放入微量离心管中 ,用蛋白
酶 K法消化 ,提出 DNA。
1. 2. 2　 RNA的提取: 采用分离总 RNA的异硫氰
酸胍法。 其步骤包括: 破碎细胞 ,灭活 RNA酶 ,将
RNA与 DNA蛋白和多糖分开。
1. 3　核基因组作图
1. 3. 1　遗传作图 ( g enetic mapp-ing ): 需要搞清基
因或 DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距
·1·中草药　 Chinese T raditional and Herbal Drug s　 2001年第 32卷第 1期
⒇ 收稿日期: 2000-09-13作者简介:肖乐义 ( 1955-) ,男 ,湖北省天门市人 ,硕士 ,首席专家 ,主要从事分子生物学研究。 Tel: ( 0371) 5725915　　 E-mail: xlyhigh tech
@ 163. net
离。遗传距离通常以 DNA片段在染色体交换过程
中分离的频率 cM表示 ,用以反映遗传效应的基因
组图。 建立精细的遗传图的关键是获得足够的高度
多态性标记。
1. 3. 2　物理图谱 ( phy sical mapping ):又称限制性
内切酶图谱。用限制性内切酶将基因组 DNA分段 ,
并找出各片段的排列和连接关系。对于一个庞大的
基因组来说 ,作物理图谱是结构分析的第一步。把庞
大的基因组切割成较小片段 ,确定每个片段间的位
置关系 ,再拼接综合为全序列。具体是以 DNA序列
标记位点 ( sequencing tagged site, ST S)作路标 ,以
DNA实际长度即 bp、 kb、 Mb为图距的基因组图
谱。物理图谱是进行 DNA序列分析和基因组结构
分析的基础。
1. 3. 3　序列图谱 ( sequence mapping ):测定全部染
色体 DNA的核苷酸序列。
1. 3. 4　转录图谱 ( t ranscription mapping ): 又称
cDN A计划。 首先建立 cDN A文库 ,再从中随机挑
选克隆进行 DNA克隆测序 ,主要目标是找出足够
多的表达序列 标志 ( expressed sequence tags,
EST)。
1. 3. 5　染色体定位 ( chromosome mapping ): 采用
细胞生物学和病理学的基因定位方法 ,搞清各基因
在染色体的位置。
1. 4　建立基因文库:用基因工程方法 ,把核基因组
分割成同等大小片段 ,然后扦入载体中 ,经转化后全
部保存于宿主菌中就是基因文库 ( g ene library )。
1. 4. 1　基因组文库 ( g enomic libra ry ):是含有某种
生物体全部基因的随机片段的重组 DN A克隆群
体。完整的基因组文库的构建使任何 DNA片段的
筛选和获得成为可能 ,是发现中药功能基因的工作
基础。 构建基因组文库时 ,先将植物中药染色体
DNA提纯 ,通过机械剪切或酶切使之成为一定大小
的片段 ,将其与适当的载体连接、转化或转染细菌 ,
得到基因重组库。 这个文库中将含有基因组全部基
因片段 ,它像一个贮存有基因组全部序列的信息库。
是发现基因、基因序列测定的基础工作。
1. 4. 2　 cDN A文库: 是以 m RNA为模板 ,在逆转录
酶的作用下形成的互补 DNA ( complementa ry
DN A, cDN A)库。与基因组文库一样 , cDN A文库也
是指一群含重组 DNA的细菌或噬菌体克隆。 其区
别之处在于在体外重组 DNA时 ,选用的供体不是
源于生物体的基因组 ,而是由细胞的 mRNA将其逆
转录成 cDN A后再与载体重组 ,转化到宿主细菌里
或包装成噬菌体颗粒 ,得到一系列克隆群体。每个克
隆只含有一种 mRNA的信息 ,足够数目克隆的总和
则包含细胞的全部 mRNA的信息 ,这样的克隆群体
叫 cDN A文库。 cDN A便于克隆和大量扩增 ,不像
基因组 DNA含有内含子很难表达 ,可以从 cDN A
库中筛选到所需的目的基因或功能基因 ,并直接用
于该基因的表达。因而 ,在基因工程研究中 ,真核细
胞的 cDN A库往往比基因库更重要。
1. 5　基因序列测定:植物中药基因组基因序列的测
定是“中药基因组计划”的核心与基石。 80年代以
来 ,随着计算机软硬件技术、仪器制造和分子生物学
研究的迅速发展 ,使得 DNA自动测序技术取得了
突破性进展。 DNA自动测序技术 ,以及它在操作上
简单 (自动化 )、安全 (非同位素 )、精确 (计算机控
制 )、快速等特点而得到了广泛的应用。此外 ,这些仪
器在各种应用软件的辅助下还可以进行 DNA片段
大小分析和定量分析 ,应用于基因突变分析 SSCP、
DNA指纹图谱分析、基因连锁图谱分析以及表达水
平的分析方面具有广阔的应用前景。
1. 6　中药基因组生物信息学研究: 生物信息学
( Bioinfo rmatics)是随着人类基因组计划的实施而
发展起来的用数理和信息学方法研究蛋白质和核酸
序列的结构和功能的一门生物学与计算机信息交叉
的学科。其主要内容有两个:一是收集管理基因组和
蛋白质组的数据 ,另一个是分析、解释基因组和蛋白
质组的内涵。其研究的对象是生物信息数据包括蛋
白质和核酸序列 ,方法是数据库、矩库和信息编码 ,
手段是计算机和网络。 “中药基因组计划”必将产生
大量的基因组学和蛋白质组的生物学信息的数据 ,
建立中药数据库 ,进行中药基因、蛋白质及多肽类等
生物活性物质的信息化管理与分析 ,具有极其重要
的实用价值。
中药生物信息学的主要内容有: ( 1)中药生物信
息的收集、存储、组织、检索和管理。 ( 2)基因组序列
的提取与分析 ,用于电脑基因克隆 ,以发现和鉴定新
基因 ;识别编码区 ;非编码区信息结构分析 ;生物进
化的遗传信息研究。 ( 3)蛋白质结构与功能分析: 用
于蛋白质及多肽类活性物质的分类、检索、蛋白质三
维结构的分析等。
1. 7　功能基因和次生代谢酶基因的鉴定:这是中药
基因组学研究的核心和精华所在。 功能基因和次生
代谢酶基因决定了中药有效成分的结构与功能 ,是
中药现代化关键环节 ,因而尽快地找到功能基因、或
功能基因族及相关基因及次生代谢酶基因意义相当
·2· 中草药　 Chinese T raditional and Herbal Drug s　 2001年第 32卷第 1期
重要。
1. 8　基因的克隆与表达 (工厂化生产 ):掌握了植物
中药的基因 ,就可能在实验室研制和生产中药的基
因药物 ,这是一个非常了不起的飞跃。
1. 9　中药转基因 (田间种植 ):植物遗传转化是将外
源基因导入植物细胞 ,经组织培养将细胞培养成植
株 ,并且导入的基因在植物体内能够稳定的表达和
遗传 ,这样的植物称为转基因植物 [1～ 3 ]。建立在植物
组织和细胞培养基础上的各种转基因技术不断革
新 ,绝大多数植物转化已获成功。本项目拟采用农杆
菌质粒构建的双元载体为媒介的基因转化 ( v ecto r
media ted gene transfer)。除此之外 ,还将采用 DNA
直接转化 ( naked DN A transfer ) ,将裸基因通过电
击法、基因枪法、花粉管通道法进行转基因操作。将
中药基因转进好种植、可食用的植物 (红萝卜、甘蔗 )
内 ,可直接食用或从中大量提取高纯度的中药有效
成分。
1. 10　通过代谢工程 [4, 5 ]合成小分子有效成分: 克隆
表达植物中药次生代谢酶基因 [6, 7 ] ,按其次生代谢 [ 8]
途径合成预防和治疗作用的小分子有机化合物。
1. 11　生物芯片的应用:基因芯片是研究分析基因
的一种强有力的分子生物学技术。中药基因芯片作
为“中药基因组计划”的又一重点 ,将从根本上改变
长期以来人们对中药的研究手段和认识层次。 中药
基因芯片将是高通量、高效率的从分子水平上研究
中药的最新技术手段。中药基因芯片包括分类、鉴定
芯片和药物筛选芯片两种重要类型 ,前者可以用于
对中药材料及制成品的定性、定量分析 ,在药物鉴
定、质量保证方面具有极为重要的应用价值 ,还可用
于寻找、发现中药新基因 ;后者用于中药的药效筛选
以及药理分析 ,还可用于证实、发现中药新品种。
2　开展“中药基因组计划”的意义
“中药基因组计划”是将分子生物学、生物信息
学等现代生物技术与其他现代科学技术相结合研究
开发中药。 美国相继提出的“人类基因组计划”
( HGP)、“植物基因组计划” ( PGP)、“微生物基因组
计划” ( MGP)都取得了突破性进展。特别是人类基
因组计划测序工作即将完成 ,该计划的完成将彻底
揭开生命的奥秘 ,对“人”的概念将有彻底的了解 ,生
命观、健康观将有本质的改变 ,对生命科学的发展将
起到重大推进作用。 中医药是世界医学的重要组成
部分 ,现在提出和实施“中药基因组计划” ,这是落实
我国中药现代化研究与开发政策的重大战略措施。
“中药基因组计划”是中药研究和应用的转折点 ,是
中药现代化的新的里程碑 ,将为中药走向世界开辟
崭新的道路 ,是中药研究的又一次革命 ;“中药基因
组计划”的实施 ,将开辟一个新的研究领域 ,建立一
门新的学科 ,培养一大批高层次中药研究人才 ,为中
药现代化奠定新的理论基础、应用基础、人才基础 ,
加速中药现代化进程 ;“中药基因组计划”的实施和
应用 ,将会形成若干重大的自主知识产权 ,具有显著
的社会效益和巨大的经济效益 ,并对当今技术创新、
产业升级和经济结构调整都将产生重大影响 ,把握
这次历史性机遇 ,加快“中药基因组计划”研究乃是
当务之急。
参考文献:
[1 ]　姜国勇 ,金德敏 ,翁曼丽 ,等 . 天花粉蛋白基因转化番茄的研究
[ J ]. 植物学报 , 1999, 41( 3): 334-336.
[ 2 ]　 Mof fat A S. To ting u p th e early harvest of transg enic plants
[ J] . Science, 1998, 282: 2176-2128.
[ 3 ]　 Mof fat A S. Engineering plan ts to cope w ith metals [ J ] .
Science, 1999, 285: 369-370.
[4 ]　卢圣栋 . 现代分子生物学实验技术 [M ] . 北京:中国协合医科
大学出版社 , 1999.
[ 5 ]　 Ralt z R H, Hos ted T J. Molecu larg enetic meth ods for
improving secondary-metaboli te production in act inomycetes
[ J] . T rands Biotech nol, 1996, 14( 4): 245-250.
[ 6 ]　 Wild ung M R, Croteau R. A cDN A clon e for taxadiene
s ynthase, the di terpene cyclas e that catalyzes th e commi t ted
s tep of tax ol biosyn th esis [ J ] . J Bioch em, 1996, 271: 9201-
9204.
[ 7 ]　孙雷心 . 美国 Cytoclonal公司试生产重组红豆杉醇 [ J] . 生物
技术通报 , 1997, ( 1): 32-34.
[ 8 ]　余叔文 ,汤章成 .植物生理与分子生物学 [M ] . 北京: 科学出
版社 , 1999.
·3·中草药　 Chinese T raditional and Herbal Drug s　 2001年第 32卷第 1期