我国心血管分子生物学研究的现状与展望

1、我国心血管分子生物学研究的现状与展望近20年来，分子生物学取得了飞速的发展，人类基因组计划、人体14万个基因，30万个核苷酸的序列即将在2003年提前完成。医学生物学正面临着一次更深刻的革命。面对二十一世纪，中国的心血管分子生物学，应该为我国的医学生物学做出更大的贡献，为世界医学和人类的健康做出我们应有的贡献。一、现状：我国的心血管分子生物学起步较晚，但由于国家的支持和全国心血管工作者的努力，与其他学科一样取得了巨大的进展。近15年来，我国心血管分子生物学的实验室从几个，发展到现在几十个实验室，研究人员亦从十几人发展到现在近数百人。现在心血管分子生物学理论、方法和技术已经深入到心血管病研究的各

2、个领域。一些著名的医学院、医院都已建立了专业的心血管分子生物学实验室。国家还组建了心血管分子生物学重点实验室。构建了内皮细胞(EC)、血管平滑肌细胞(VSMC)、 心脏、胎心、主动脉的十几个cDNA文库和递减文库，获得了成千上万条新表达序列标志（EST），克隆了90多个新基因，获得了HRG-1,HCY,hhLIM,TFAR-19,UCK等十多个新的与心血管相关的功能基因。应用定位克隆、差异筛选、全基因扫描和分子遗传技术寻找到一些新的高血压和糖尿病遗传标记；发现了高血压、心肌肥厚和动脉硬化相关基因的新的突变位点；制备了载脂蛋白、肾素转基因动物；建立了心肌炎和一些遗传性心血管病的基因诊断方法；应用

3、分子生物学的技术和方法对高血压、动脉硬化、心肌肥厚的发病机理进行了大量研究。创建了基因缝线、基因球囊、基因支架、电脉冲、受体介导、病毒脂质体等一系列转基因方法，开展了高血压、高脂血症、再狭窄和梗塞性血管病的基因药物和基因治疗的实验研究，并取得了可喜的成果。其中血管内皮生长因子（VEGF）基因治疗梗塞性血管病已获得国家批准，不久将在临床上试用。异体器官移植应用转基因方法，使猪心人源化，亦取得了初步进展。此外，应用基因工程的方法还重组了TPO,EPO,ProUK,SK,tPA等大量重组工程的多肽药物，并已在临床使用。我国第一个心血管医学生物信息网(http:.)已经建立。它包括心血管病的流行病学、

4、心血管相关基因的定位、序列、编码蛋白质及与疾病的关系等等。这说明我国心血管分子生物学正逐步跟上国际心血管分子生物学前进的步伐，但与国际水平相比，我国心血管分子生物学还处在发展初期，一些单位对分子生物学的研究还只是一种“装饰”，缺乏强有力的论证，难以取得重大突破和得到国际上的认可。二、机遇：人类基因组计划的实施和完成，既予我们以压力，亦给我们以很好的机遇。在21世纪我们将面临以下几个主要问题的挑战：1.基因“解剖学”：研究基因的结构、组成、分布和变异。估计人体有3109个核苷酸，但仅2%3%可以编码蛋白质。那么剩余的90%以上的核苷酸的功能是什么呢？目前在GenBank注册的人类EST已逾300

5、万条，而且每天以1 500条EST的速度增加。现在应用定位克隆所获得的基因，90%以上都可在EST库中寻找到同源序列，但是在108万条EST中只有3.5万条在染色体上定位；人体内估计有515万个基因，现在已克隆基因约近2万个，但明确有功能的不足2 000个，即使已知功能的基因，其确切的作用还需进一步验证。现在了解，从单一克隆中筛选出的基因有很大的局限性和变异性，有人推测每1001 000个核苷酸序列中就有一个核苷酸的变异，人类约有300万个有差异的序列，这些有差异的不同基因可以遗传，表现为不同基因型和多态型，决定人类的种族和个体的差异，决定不同人群的疾病易感性和药物治疗的敏感性，它是我们进行疾

6、病诊断、预防和药物选择的分子基础，即所谓单核苷酸序列多态性（SNP）。现在人们热衷于克隆cDNA和编码蛋白的核苷酸序列，这是必要的，但非编码的核苷酸序列，包括卫星DNA（小和微小卫星序列）、多拷贝重复序列、和众多调控序列，亦具有十分重要的意义。此外，核苷酸序列在染色体上的排列亦不是无序的，一定有着内在规律和自身的特点，还可能存在着新的多联密码。只有深刻揭示核苷酸排列的规律和意义，才能真正了解生命的奥秘。2.基因“生理学”：研究基因的功能和调节，包括可编码和非编码序列的功能，是今后分子生物学研究的一个重要任务。亦称为生理基因组学（physiological genomics）。目前我们还缺少大规

7、模基因功能筛选和研究的技术和方法，经典的生化、生理、细胞和分子生物学技术主要适用于研究单一基因和蛋白质的分布、表达、作用、功能和调节。酵母单杂交技术只能研究单一蛋白质与单一DNA的相互关系；酵母双杂交技术只能研究单一蛋白质和蛋白质的相互作用，了解单一基因和蛋白质作用；最近发展的酵母三杂交技术，虽然可以研究三种蛋白质的相互关系，但我们还不能进行多基因、多蛋白功能的大规模检测。基因突变、转基因和打靶技术，包括Knockout 和Knockin，只能研究导入和破坏一个基因对细胞和机体的作用：体内10万个基因，表达和产生近百万种蛋白质，它们对机体不同细胞，不同发育时间和对整体的作用及其机制，将是一个十

8、分巨大的工程。分析和了解基因功能是人类基因组计划的核心。还应指出，体内基因其功能的实现都不是孤立的，一个或一组功能的实现，需要一组基因来共同完成。一个和一组基因的功能亦不是单一的，可有多种功能。因此，单纯研究一个基因常常还不能反应和获得正确的信息和结论。例如内皮素具有强大收缩血管和升高血压作用，转内皮素基因或敲除内皮素基因，血压并不升高，亦不降低。敲除血管紧张素基因血压也不一定降低，只有同时敲除肾素和血管紧张素或ACE两个基因，血压才会改变。因此，重要的是要研究基因组的作用，研究基因的网络和相互作用。基因的拼接、转录和表达调控、DNA和RNA的合成，代谢和稳定性的调节是实现基因功能、维持人体正

9、常生理作用的基础，它是现代分子生物学研究的一个热点。基因必须通过其表达的蛋白质或多肽才能发挥作用，一种基因可以表达出几种乃至十多种蛋白质，每一种蛋白质的功能亦不同，即使同一种蛋白质，构型不同，功能亦不同；构型相同，还可以作用在不同受体上，而产生不同的功能。此外，一种蛋白质还可以降解成不同多肽和片段，这些降解产物亦有不同功能。即使同一种多肽由于氨基酸构像不同，功能亦迥异。我们称之谓蛋白质功能的多样性，或称为蛋白质组学 (Proteomics)。这是一个全新的正待开拓的领域。3.基因“病理学”：研究基因在疾病发生中的作用。除了单基因遗传病以外，绝大多数疾病都是多基因多因素的病。现在发现，即使是单基

10、因病，亦不仅是一种基因的损伤，例如家族性心肌肥厚，过去认为主要是-MHC基因的缺陷，现在发现cTNT，MBPC，-TM基因的突变，亦可引起家族性心肌肥厚。即使是-MHC，亦不是一个ARG403GLN点突变，其他位点的突变如Arg453Cys,Cly716Alg等亦可引起家族性心肌肥厚。其它遗传性心血管病亦是一样。而对于高血压、动脉粥样硬化这些主要的心血管病都是多基因病，所涉及的基因更多、更广。例如高血压病，现在了解其基因的变异和多态性的变化涉及体内20多条染色体，几十个区段，近百个基因的改变。目前疾病分子生物学正从单基因向多基因，从基因病向基因组病过度。近年发展的DNA芯片技术，可以将人体内成

11、百上千种，乃至十万个基因，全部密集排布在一张芯片上。免疫芯片，蛋白质芯片和检查突变的芯片，可用于大规模检测体内多种基因的表达、蛋白质与蛋白质，蛋白质与DNA的相互关系，单个和群体基因的多态性和基因突变位点，确定人体的基因型。现在各种专业芯片包括癌基因/抗癌基因、细胞因子/生长因子、细胞周期/细胞凋亡、细胞信息传递、肿瘤、血液、神经、炎症等芯片已经问世，心血管系统的芯片亦已开发出来，这是继PCR技术以后生物医学技术的又一次新的革命。不同基因型决定了人体对疾病的敏感性。在不久的将来，我们每一个人将会有自己的基因“条形码”，建立起自己的基因病历，获得个人和人群的环境易感性和疾病易感性的遗传和分子信息

12、，实现个体化的疾病预防和治疗，这是我们努力的方向和可以预见到的未来。4.基因药物学与基因治疗学：心血管分子生物学的发展对于药物的开发和疗效的预测和评估具有重要意义。有人估计人体约有6 000种基因与药物的吸收、代谢、排泄和作用有关，这些基因多态性，决定着药物的敏感性。测定患者的这些基因型，不仅可以指导正确用药，实现个体化的治疗，亦是开发和筛选新型心血管药物的基础。通过基因，不仅可以生产出基因工程药物，而且基因亦可直接作为一种“药物”，对损伤基因及其表达产物进行补充、阻遏和修复，即所谓DNA药物和基因治疗。现在应用LDL-R基因治疗家族性高胆固醇血症，应用血管内皮生长因子(VEGF)基因治疗梗塞

13、性血管病已经获准应用于临床，展示出良好的应用前景。当前主要的限制因素是缺乏有效、安全，可控、易行的基因转移方法，这是基因治疗能否在临床应用的关键。现在正在发展的体内基因打靶和重组技术，对体内损伤的基因进行修复和替换，将推动基因治疗的发展。随着基因转录调控研究的进展，一类基因转录调控的药物正在崛起，这类药物分为活化和抑制转录因子两大类，它将为心血管病药物的开发和应用开辟新的广阔领域。此外，应用细胞克隆和组织工程的技术方法，克隆出人体细胞和器官或可替代的动物器官和组织，进行器官移植，亦是一个重要的方向。5.基因信息学：研究基因和蛋白质信息的搜集、储存、分析和利用。包括基因和蛋白质结构、功能及其与疾

14、病的联系的信息。将浩如天文数字的信息和资料归纳和整理，分析和加工成为可以自我繁衍，自我控制，自我应答，便于利用和分析的资源和数据库。它是信息科学和生命科学相结合的产物。目前已建立了许多国际的各种生物信息库，如美国NCBI,欧洲的CEMI,以色列的Gene Card,日本的DDBJ等等。在这些信息库中包含了基因定位、序列、EST(expressed sequence tags), STS(sequence tagged sites), GSS(genome survey sequence),PCR,ORF,蛋白质序列和结构，同源序列，模式生物，和疾病相关的各种信息分库。储存了生命科学的各种信息和

15、资料，成为生命科学研究和发展的最有力的工具。三、建议目前我国分子生物学的研究基础相对落后，应结合我国临床实践、病人、病种和遗传资源丰富的特点，以及特有的中医药学的优势，集中对下述问题深入研究：1.环境诱导的基因组研究：绝大多数的心血管病都是环境因素与遗传因素相互作用的结果。我国有着自己独特的生活和生存环境，有着自己的心脑血管病发病的危险因素，我们应该研究在环境致病因素作用下，人体基因组的变化，阐明我国心脑血管病发病的分子机理，寻找出心脑血管病诱发因素作用的易感基因组群。2.功能基因组学的研究：我们不仅要研究单一基因的功能，还要研究基因组的功能，描绘出人类与心血管功能相关的基因谱及其染色体上的定

16、位；描绘出心血管细胞和器官发生、分化、生长直至凋亡的相关基因群的时空表达谱及其相互关系；阐明实现人体心血管主要功能及其调控的基因网络群。特别着重研究我国自己发现的新基因的功能。3.疾病基因组群的研究：我国心脑血管病有着自身的发病特点，例如高血压，在我国易并发脑卒中，而在西方易并发心肌肥厚。这是人体基因组群体多态性决定的。因此，我们不仅要进行心血管相关基因组单个核苷酸变异性(SNP)研究，阐明个体的差异，还应该进行群体的基因组多态性的研究。4.基因-蛋白质功能多样性的研究：研究基因拼接、转录、表达、损伤、修复和稳定性的调节机制，阐明基因转录和表达不同蛋白质的规律性，研究蛋白质及其降解产物的功能及

17、其多样性，分析蛋白质结构与功能的关系以及蛋白质不同片段之间相互调节的规律，着重研究心血管活性物质的多级网络调节和整合机制的规律和生理、病理意义。5.药物基因组学的研究：研究心血管药物疗效和副作用的机理及其与基因多态性的关系，指导药物的选择和应用，预报药物的效果和副作用，提高药物的靶向性和效果，发展新型药物。应重视分析有效中草药治疗心血管病的分子机理，克隆中草药有效成分的相关基因，提高和发展传统的中医药学。6.建立新方法，发展新技术：建立和完善自己心血管生物信息库，制备心血管系统的DNA,蛋白质和免疫的通用和各种专一用途的芯片。建立和发展大规模多基因多态性的分析和检测技术，开拓和建立大规模基因，蛋白质功能检测的新技术和新体系；建立和发展单一基因和多基因转移技术和打靶技术；制备转多基因的