随着人类疾病谱的变化和生命科学的深入发展，医学界已逐渐认识到单因素、单靶点治疗模式存在的局限，特别是难以应对病理机制复杂的疾病，而中药多组分、多靶点、整体调节、协同作用的作用特点，使其在治疗复杂疾病方面表现出独特的优势，同时也因为中药物质基础和作用机制的复杂性，使得中药现代化进程面临困难。表观遗传学和代谢组学是20世纪40年代和90年代发展起来的2门新兴学科，其整体性、动态性、个体化以及与环境的相互作用的特点与中医药作用理念具有高度一致性[1,2]，不仅为中医药与现代科学的融合迎来了契机，也为阐明中药作用特点的科学内涵提供了新思路和新方法。

1、表观遗传学在中药研究中的应用

1.1表观遗传学概述

1942年，Waddington[3]首次把DNA序列不改变，表型或基因表达发生可遗传变化的现象称之为表观遗传学。Bird[4]于2007年提出在后基因组学的表观遗传学时代，从表观遗传学的角度来防治疾病是当前研究的主要方向。应用表观遗传学方法，不但可以充分了解和研究人类各种疾病的发病机制，而且可以发现和寻找到疾病发生的预警和防治靶分子，在疾病的诊断和防治中发挥重大作用[5]。

生物体是由遗传信息和表观遗传信息共同作用的结果。整个基因组通过核苷酸精确地复制、转录和翻译，保持遗传信息的稳定性和连续性；表观遗传学体现的是基因调控功能，即基因受内外环境等因素的影响，在DNA核苷酸序列不发生变化的情况下，基因表达水平发生可逆、可遗传的改变，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和MicroRNAs(miRNA）调控等[6]。研究表明中药多组分、多靶点、多途径的作用特点有可能是通过调控或恢复基因表达平衡，从而达到恢复机体正气和阴阳平衡，利用表观遗传学有可能在分子水平揭示中药整体作用与多组分协同作用机制的本质与科学内涵。因此，近几年表观遗传学在中药研究中的应用日渐引起关注。

1.2DNA甲基化与中药研究

DNA甲基化是在甲基转移酶的催化下，DNA的CpG二核苷酸的胞嘧啶选择性地结合甲基，形成5-甲基胞嘧啶[7]。研究表明DNA甲基化紊乱是众多疾病、特别是病机复杂疾病如免疫性疾病、病毒性疾病、代谢异常疾病、心脑血管疾病、癌症等的共有模式，针对异常DNA甲基化双向调控的治疗研究日渐成为防治复杂疾病的重要策略，这与中药调控作用理念也不谋而合[8,9,10]。

目前大部分中药调节DNA甲基化研究集中在探讨中药单体成分和中药复方对全基因组和异常基因甲基化状态的调节。主要通过调控DNMT水平、调节相关信号通路、调控相关蛋白等发挥调节甲基化状态的作用。如前期研究比较多的姜黄素、丹参酮IIA、雷公藤内酯醇、雷公藤甲素、苦参碱、天花粉蛋白等中药单体成分和参茸补血丸、青黄散、消痰散结方等中药复方。中药调控DNA甲基化的应用实例见表1。

表1中药调控DNA甲基化的应用实例

中医理论认为阴阳处于不断运动变化中，临床上通过平衡阴阳以达到“阴阳自和”是中医治疗疾病的最终目标。而DNA的甲基化与去甲基化也处于动态变化中，DNA甲基化本身的特点与中医的特色理论有着一种天然而隐约的联系[23]。对此，有学者提出现有的研究和进一步的研究将证明中医阴阳的生物学根本基础可能就在于DNA高甲基化与低甲基化[10]。如周庆兵课题组利用甲基化免疫共沉淀联合测序的方法，分别研究了栀子川芎胶囊对兔动脉粥样硬化模型和栀子苷对RAW264.7细胞DNA异常甲基化的影响[24,25]。研究发现栀子川芎胶囊和栀子苷不仅能促甲基化，同时还能去甲基化，即通过双向调控异常基因的甲基化来治疗动脉粥样硬化，这可能与其调节蛋白激酶C的活性、炎症信号通路和MAPK信号通路等有关。因此研究中药通过双向调节异常基因甲基化水平达到治疗疾病的作用可能是下一步作用机制研究的重点。

1.3组蛋白修饰与中药研究

组蛋白修饰（histonemodification）是指在相关酶的作用下，组蛋白发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等过程。较之于DNA甲基化的稳定性，组蛋白修饰较为动态，并与DNA甲基化相互影响发挥调控功能[26]。

Hsieh等[27]通过访问两个公共中药数据库、NCBI分类学数据库和公共化学-蛋白质相互作用数据库，发现3294种中药中有1170种与人组蛋白修饰酶发生相互作用，中药复方的协同作用主要是通过同时抑制DNMT和HDAC，共同抑制组蛋白乙酰化和H3S10磷酸化或共同抑制H3K4脱甲基和H3K36脱甲基。

Nardi等[28]研究发现雷公藤甲素诱导肺癌细胞凋亡与组蛋白3(H3）的整体表观遗传学变化有关，主要通过上调Wnt抑制因子的蛋白质表达。但雷公藤甲素对所有5个Wnt抑制因子的启动子区域中的任何CpG岛上的DNA甲基化状态均无影响。Lu等[29]研究发现中药制剂今复康给药肺癌细胞后，多个基因的H3K4Me3修饰状态显著改变，并提出了SUSD2、CCND2、BCL2A1和TMEM158可能是今复康治疗肺癌的潜在靶标，其研究结果表明今复康可能通过对肺癌多个基因位点的组蛋白修饰的调节发挥抗癌活性。Sun等[30]研究发现蛇床子素可以上调组蛋白乙酰化酶，特异性催化H3K9、H3K14的乙酰化，改善细胞层和牙周炎组织层骨的形成，结果表明蛇床子素是一种通过调节细胞表层工程中的表观遗传修饰来治愈牙周炎的有前途的药物。

1.4miRNA调控与中药研究

miRNA是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小为20～25个核苷酸，与各种疾病的关系及潜在的诊断治疗价值逐渐引起人们的重视，中药对miRNA的调控也逐渐成为研究热点[31]。

赖小华等[32]研究发现三七皂苷R1有较好的延缓血管内皮细胞衰老的效果，其机制可能是通过调控miRNA-34a/SIRT1/p53通路延缓了血管内皮细胞衰老的进程，即三七皂苷R1通过降低细胞内miRNA-34a的表达，增强SIRT1表达，降低肿瘤抑制蛋白p53的乙酰化程度，减弱p53激活下游衰老相关靶基因转录的活性。研究表明雷公藤多苷可以降低类风湿关节炎患者的miRNA-146a水平，改善类风湿关节炎患者的临床症状[33]。雷公藤多苷还可以下调单侧输尿管结扎（UUO）幼年大鼠肾脏miRNA-192、I型胶原的表达，减少细胞外基质沉积，改善肾间质纤维化[34]。Wu等[35]研究发现从甲鱼中提取到的甲壳肽处理AGS细胞后，有101个miRNA(49个上调的miRNA和52个下调的miRNA）显著差异表达，miRNA-375、let-7d、miRNA-429、miRNA-148a/148b和miRNA-34a等几种抑制肿瘤的miRNA显著上调，从而影响癌症相关途径进而达到治疗癌症的效果。

2、代谢组学在中药研究中的应用

2.1代谢组学概述

1985年，Nicholson研究小组利用核磁共振（NMR）法，通过对大鼠的尿液代谢物进行分析，发现与其病理的变化存在关联，于1999年提出代谢组学概念[36]。虽然代谢组学是一个新兴的学科，但其技术和研究思路已经被广泛应用于药物研发、中医药、农业、营养学、毒理学、微生物等与人类健康密切相关的领域[37]。它是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后系统生物学的又一重要分支[38]。代谢组学通过对内源性小分子代谢物的整体性、系统性分析，获得反映机体功能状态的代谢指纹特征和代谢网络，揭示机体生命活动代谢本质以及机体微环境的状态。其“整体-动态-综合-分析”的研究思路与中医药整体观不谋而合[39]。近年来，代谢组学应用于中药物质基础研究、中药质量标准研究以及中药药效作用机制研究成为热门，为中药现代化瓶颈问题的解决提供了有力帮助。

2.2代谢组学在中药药效物质基础方面的应用

阐明中药药效物质基础是中药现代化的关键问题之一，也是中药研究的难点和热点[40]。用传统研究化学成分的方法研究起来费时、费力，且不能体现其整体性作用特点，利用代谢组学的技术和方法，在中医药理论指导下多角度、多层次系统的研究中药及其复方，揭示中药及其复方产生药效的物质基础，为中药现代化研究提供了新的思路[41]。

Liu等[42]利用UHPLC-ESI-Q-TOF-MS技术对防己黄芪汤进行了系统的研究，共鉴定出了17种指示肾病综合征的生物标志物，并筛选出多种用于治疗肾病综合征的活性成分，一定程度上阐明了防己黄芪汤的药效物质基础。Wang等[43]利用代谢组学的方法对芍药甘草汤进行研究，从大鼠血浆中共鉴定出12种化合物，包括9种原型成分，2种代谢物和C9H10O3，这些化合物可能是芍药甘草汤治疗痛经的物质基础。Cao等[44]利用UPLC-ESI-Q-TOF-MS技术对温心方研究发现，口服给药大鼠后，其血浆中共检测到32种化学成分，包括26种原型成分和6种代谢产物。Cao等[45]利用1H-NMR的代谢组学方法对脑振宁颗粒进行了研究，发现脑振宁颗粒的治疗作用与18种脑代谢产物的调节有关，其中的13种化合物可作为脑振宁颗粒中抗脑损伤的活性化合物。

2.3代谢组学在中药质量控制中的应用

一般认为中药发挥作用是其内在多种活性成分共同作用的结果，而药材品种、产地、气候、采收季节、炮制方法、储藏条件等因素对中药化学成分都有较大的影响[46]。现行的中药材质量控制模式主要依靠指标成分含量测定和指纹图谱技术，与传统的外观性状评价相比，新技术的发展极大地提高了中药材的可控性。但现有的质量控制指标缺乏专属性或与活性的相关性不大，如多种药材均采用绿原酸为指标；而指纹图谱技术只能进行相似度评价，却无法将其与中药材优劣性进行关联[47]。为了探索新的中药质量控制模式，国内外研究人员进行了大量的创新性研究，近些年来，一些研究者尝试将代谢组学的方法应用于中药材质量评价中，并取得了较好的效果。

Wang等[48]利用UHPLC-ESI-Q-TOF-MS/MS技术对荚膜黄芪与蒙古黄芪进行研究，共鉴定出可以区分荚膜黄芪与蒙古黄芪的53种化学标记物，利用代谢组学的方法可以快速、准确的筛选中药的特征化学成分，为多基源中药的质量控制提供新的评价模式。Dai等[49]结合使用NMR和LC-DAD-MS的代谢组学方法对不同品种、产地的丹参进行了系统的研究，发现同一地理位置生长的3个丹参品种和同一丹参品种生长在不同地理位置的化学成分有所不同，表明丹参药材的质量与产地有较大关系。Xing等[50]对僵蚕的形成过程进行研究，通过对多种代谢产物的检测，发现了有望用作质量控制的指标成分，深入阐释了僵蚕的质量形成机制。Zhan等[51]对牡丹皮进行研究，共筛选并初步鉴定出28种化合物可作为区分正常、硫化和脱硫的牡丹皮的标志物。这种方法也可用于其他硫化和脱硫中药的研究，并为中药及其炮制品的质量控制提供一定参考。

2.4代谢组学在中药药效作用机制方面的应用

中药及其复方是多组分的复杂体系，通过多途径、多靶点发挥治疗疾病的作用。目前，多数中药的药效作用机制还不明确，传统的药理实验方法大多数只能在某一方面揭示中药治疗疾病的作用机制。代谢组学因其整体性、系统性的特点，不仅可以研究中药本身的代谢变化，还可以研究给药后机体内源性代谢物的变化，通过筛选生物标志物并进行代谢通路分析，多途径、多靶点系统阐释中药药效作用机制[52]。

韩红祥等[53]利用UPLC-Q-TOF-MS技术进行五味子治疗糖尿病并发症大鼠尿液代谢组学研究，发现了28种潜在生物标记物。这些生物标志物主要影响戊糖和葡萄糖醛酸相互转化通路、精氨酸和脯氨酸代谢、肠内菌代谢等多种代谢通路，表明五味子可能从能量代谢、氨基酸代谢、肠内菌代谢、脂类代谢等多个角度发挥治疗糖尿病并发症的作用。Yang等[54]研究发现，三草颗粒可以明显下调血清生化指标，减轻组织学损伤，抑制中性粒细胞浸润，改善伴刀豆球蛋白A对小鼠的肝损伤，其治疗作用可能是通过将潜在的生物标志物逆转至正常水平来实现的，涉及脂肪酸生物合成、花生四烯酸代谢、亚油酸代谢、甘油磷脂代谢和脂肪酸代谢等多条代谢通路。利用代谢组学的方法一定程度上阐释了三草颗粒多途径治疗肝损伤的作用机制。He等[55]利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱的非目标代谢组学方法研究定志小丸治疗阿尔茨海默病的作用机制，共发现26种潜在的生物标志物，其中15种生物标志物被鉴定出来。这些生物标志物主要影响牛磺酸和低牛磺酸代谢，色氨酸代谢和苯丙氨酸代谢的途径。定志小丸通过介导抗氧化应激，调节能量代谢，改善肠道微生物和保护神经细胞，达到治疗阿尔茨海默病的作用。

此外，代谢组学也为中药毒性研究、中药配伍研究等提供了一个良好的平台，相关研究实例见表2。

3、表观遗传学和代谢组学结合应用于中药研究

表观遗传学理念与中医中药核心思想、作用理念的内在一致性，以及表观遗传学不断发展的方法技术，可以在分子水平揭示中药作用机制的本质；代谢组学可以帮助分析中药作用物质基础、表观遗传调控结果的表现以及细胞微环境的变化。二者相结合创新应用，能在微观层面系统地揭示中药整体作用机制，进而帮助阐明中医药核心思想的科学内涵。

表2代谢组学近年在中药研究中的其他应用实例

长期以来，因为中医药理念的系统性和整体性，使得中医药理论与从单因素、单靶点发展起来的现代科学相互融合困难，严重影响了中医药现代化进程。利用现代科学阐释中医药理论的科学内涵、在微观层面揭示中药整体作用机制与多组分间协同作用机制、建立符合中药作用特点的评价模式一直是中医药现代化亟待解决的重大前沿瓶颈问题。随着现代科学技术和生命科学的不断进步，系统生物学、网络生物学、计算生物学等的发展，意味着现代科学已日渐走向对复杂体系的认识和分析，意味着在微观层面揭示中医药核心思想科学内涵的时代正在到来[70]。

表观遗传学体现了基因因为内外环境的影响发生可逆性的变化，体现了环境与自身相互作用的平衡关系，这些与中医整体观、辩证观的核心思想，与中药调节机体功能、恢复机体阴阳平衡的作用理念存在深刻的内在一致性。研究表明中药多组分、多靶点、多途径的作用特点有可能是通过调节异常基因表达使其恢复正常水平，从而达到恢复机体正气和阴阳平衡。而且表观遗传学研究方法的发展已可以完成从整体水平到特殊途径和靶点的分析，因此将表观遗传学运用到中药研究中，不仅有利于揭示中药多组分、多途径、多靶点的作用机制，而且可以揭示中药“治本”的原因，阐明中药整体作用分子机制的本质与科学内涵。表观遗传学理念与中医中药思想内在一致性示意图见图1。

图1表观遗传学理念与中医中药思想内在一致性

代谢组学可以整体反映药物对机体内源性代谢物的影响，不但可以评价药物整体作用的表象效果，帮助推断可能的作用途径和靶点机制，而且代谢物可以反映细胞的生存环境，机体微环境，如代谢物变化可以直接导致基因的表观遗传学改变，从而影响细胞/机体功能，这也是癌症转变的主要原因[71,72,73]。

表观遗传学和代谢组学在中药研究中各自具有独特的优势，在深层次中二者又相互影响、相互关联，而且表观遗传学和代谢组学的研究已可以完成从整体到特殊途径与靶点的分析。二者结合研究，可以在微观层面阐明中药整体作用机制和多组分协同作用机制，在分子水平揭示中药作用现象（代谢组学）与本质（表观遗传学）的关系，以及对微环境的影响（代谢组学），从而有利于系统阐释中药整体作用的科学内涵。因此本课题组在多年深入思考和研究的基础上，首次提出将表观遗传学和代谢组学结合应用的创新研究思路，为微观层面、分子水平阐明中药整体作用本质以及多组分协同作用机制建立新的研究模式，促进中医药核心思想科学内涵研究以及与现代科学的有机融合。

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基金:河南省自然科学基金资助项目(182300410348).