生物信息学进展浅论

生物信息学进展浅论
10-03-05  匿名提问 发布
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    pierr9

    生物信息学进展浅论 "[论文摘要]生物信息学是80年代以来新兴的一门边缘学科,信息在其中具有广阔的前景。伴随着人类基因组计划的胜利完成与生物信息学的发展有着密不可分的联系,生物信息学的发展为生命科学的发展为生命科学的研究带来了诸多的便利,对此作了简单的分析。  
           
      一、生物信息学的产生  
        
       21世纪是生命科学的世纪,伴随着人类基因组计划的胜利完成,与此同时,诸如大肠杆菌、结核杆菌、啤酒酵母、线虫、果蝇、小鼠、拟南芥、水稻、玉米等等其它一些模式生物的基因组计划也都相继完成或正在顺利进行。人类基因组以及其它模式生物基因组计划的全面实施,使分子生物数据以爆炸性速度增长。在计算机科学领域,按照摩尔定律飞速前进的计算机硬件,以及逐步受到各国政府重视的信息高速公路计划的实施,为生物信息资源的研究和应用带来了福音。及时、充分、有效地利用网络上不断增长的生物信息数据库资源,已经成为生命科学和生物技术研究开发的必要手段,从而诞生了生物信息学。  
        
      二、生物信息学研究内容  
        
      (一)序列比对  
      比较两个或两个以上符号序列的相似性或不相似性。序列比对是生物信息学的基础。两个序列的比对现在已有较成熟的动态规划算法,以及在此基础上编写的比对软件包BALST和FASTA,可以免费下载使用。这些软件在数据库查询和搜索中有重要的应用。有时两个序列总体并不很相似,但某些局部片断相似性很高。 Smith-Waterman算法是解决局部比对的好算法,缺点是速度较慢。两个以上序列的多重序列比对目前还缺乏快速而又十分有效的算法。  
        
      (二)结构比对  
      比较两个或两个以上蛋白质分子空间结构的相似性或不相似性。  
        
      (三)蛋白质结构预测  
      从方法上来看有演绎法和归纳法两种途径。前者主要是从一些基本原理或假设出发来预测和研究蛋白质的结构和折叠过程。分子力学和分子动力学属这一范畴。后者主要是从观察和总结已知结构的蛋白质结构规律出发来预测未知蛋白质的结构。同源模建和指认(Threading)方法属于这一范畴。虽然经过30余年的努力,蛋白结构预测研究现状远远不能满足实际需要。  
        
      (四)计算机辅助基因识别  
      给定基因组序列后,正确识别基因的范围和在基因组序列中的精确位置.这是最重要的课题之一,而且越来越重要。经过20余年的努力,提出了数十种算法,有十种左右重要的算法和相应软件上网提供免费服务。原核生物计算机辅助基因识别相对容易些,结果好一些。从具有较多内含子的真核生物基因组序列中正确识别出起始密码子、剪切位点和终止密码子,是个相当困难的问题,研究现状不能令人满意,仍有大量的工作要做。  
        
      (五)非编码区分析和DNA语言研究  
      在人类基因组中,编码部分进展总序列的3-5%,其它通常称为“垃圾”DNA,其实一点也不是垃圾,只是我们暂时还不知道其重要的功能。分析非编码区 DNA序列需要大胆的想象和崭新的研究思路和方法。DNA序列作为一种遗传语言,不仅体现在编码序列之中,而且隐含在非编码序列之中。
      三、生物信息学的新技术  
        
      (一)Lipshutz(Affymetrix,Santa clara,CA,USA)  
      描述了一种利用DNA探针阵列进行基因组研究的方法,其原理是通过更有效有作图、表达检测和多态性筛选方法,可以实现对人类基因组的测序。光介导的化学合成法被应用于制造小型化的高密度寡核苷酸探针的阵列,这种通过软件包件设计的寡核苷酸探针阵列可用于多态性筛查、基因分型和表达检测。然后这些阵列就可以直接用于并行DNA杂交分析,以获得序列、表达和基因分型信息。Milosavljevic(CuraGen, Branford, CT, USA)介绍了一种新的基于专用定量表达分析方法的基因表达检测系统,以及一种发现基因的系统GeneScape。为了有效地抽样表达,特意制作片段模式以了解特定基因的子序列的发生和冗余程度。他在酵母差异基因表达的大规模研究中对该技术的性能进行了验证,并论述了技术在基因的表达、生物学功能以及疾病的基础研究中的应用。


      (二)基因的功能分析  
      Overton(University of Pennsylvania School of Medicine,Philadelphia,PA,USA)论述了人类基因组计划的下一阶段的任务基因组水平的基因功能分析。这一阶段产生的数据的分析、管理和可视性将毫无疑问地比第一阶段更为复杂。他介绍了一种用于脊椎动物造血系统红系发生的功能分析的原型系统E-poDB,它包括了用于集成数据资源的Kleisli系统和建立in改善灌注后的血液动力学、提高心内膜下血流量和恢复内源性抗氧化网络有关[17]。丙酮酸无毒性,可以通过扩散的方式进入细胞和细胞器内,发挥其功能,较适合作为保存液的添加剂。在ST液体中加入CAPE,首次证明可以提高I/R期大鼠心脏的抗氧化功能,因CAPE可阻止由I/R损伤诱导的脂质过氧化[4]。
    其可能机制为tempol抑制了STAT(signal transductor and activation of transcription,信号转导子及转录激活子)家族的磷酸化。STAT家族是各种信号转导的潜在的转录因子,包括细胞死亡的级联反应。研究心肌在受到缺血再灌注损伤时,STAT1和STAT3的磷酸化水平升高,tempol可以极大地降低STAT1和STAT3的磷酸化[19]。

     6.1.6  黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase , XO)      缺血再灌注期,黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase ,XO)活性增高,诱导ROS产生和细胞钙超载。用XO抑制剂别嘌呤预处理,可以降低XO的活性和减少ROS的产生,也可以降低XO活性增高诱导的细胞内 Ca2+浓度的升高。其可能机制为黄嘌呤氧化酶活性的升高导致蛋白激酶C(PKC)和肌浆网Ca2+ATP酶(钙泵)活性降低,细胞外信号调节激酶和 p38激酶的磷酸化增高;而别嘌呤增加PKC水平和增高钙泵活性,抑制细胞外信号调节激酶和p38激酶的磷酸化[20]。而另一项研究显示,XO的激活可以诱导心脏有潜力产生NO的亚硝酸无机盐产生NO,减轻心肌缺血再灌注损伤。因此,经这种途径XO的激活效应可能是保护性的而不是损伤[21]。

     6.2  减轻钙超载  Na+ /H+交换蛋白抑制剂减轻氧化应激造成的心肌细胞损伤,提高心肌的收缩功能,抑制心肌细胞质和线粒体Ca2+浓度的升高,降低乳酸脱氢酶的释放,增加组织 ATP、磷酸肌酸和糖原的含量[22~24]。Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂可对抗缺血再灌注引起的钙超载,还可以减轻钠超载,减少心肌酶的释放,提高再灌注后的心脏功能,增加再灌注后冠脉血流量,提高再灌注后高能磷酸化合物和ATP的恢复[25, 26]。以上都是不同抑制剂综合的心肌保护作用,但作为添加剂加入器官保存液,需要选择一种副作用小,心肌保护作用强的抑制剂。此外,麻醉预处理也能减轻钙超载,其作用机制与Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂不重叠,与Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂联合应用时心肌保护作用强于单独应用Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂[27]。

     6.2.1  Na+ /H+交换蛋白抑制剂  预处理和再灌注时各自应用Na+ /H+交换蛋白抑制剂卡立泊来德(cariporide),都能明显减轻心肌细胞的损伤,包括自由基损伤,心肌细胞和内皮细胞的损伤(包括减少白细胞黏附和EF-1的释放)[22]。主要机制为减轻氧化应激造成的心肌细胞损伤。另外,卡立泊来德(cariporide)可减轻心肌损伤和缺血诱导的心律失常[22]。再灌注期加入Na+ /H+ 抑制剂HOE-642,提高了心肌的收缩功能。但是,心肌功能的改善不依赖反映心肌活性的指标,如心肌的梗死面积、心肌细胞特异性酶[23]。另一种高选择性的Na+ /H+交换蛋白抑制剂KR-33028,可以极大地抑制低氧诱导的细胞质和线粒体Ca2+浓度的升高和细胞色素C的释放,提高心肌收缩性,降低乳酸脱氢酶的释放,增加组织ATP、磷酸肌酸和糖原的含量,没有产生急性和随后的毒性作用。其可能机制为KR-33028抑制了细胞内钙超载和线粒体诱导细胞死亡的旁路[24]。

     6.2.2  Na+ /Ca2+交换蛋白抑制剂  Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂MCC-135可以改善大鼠心脏缺血后,心肌收缩功能的异常。理论上Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂可以维持钠超载,抑制钙超载,但是用MCC-135和盐酸阿米洛利(一种Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂)同样可以减轻钠超载。抑制钙超载可能的机制为:抑制Na+依赖的 Ca2+流入[25]。急性心肌梗死病人进行了冠脉介入手术后,MCC-135可减少心肌细胞肌酸激酶的(心肌细胞损伤的标志)释放,增加左心室舒张末期的容积,提高左心室的射血分数[25]。另一项研究显示,再灌注期加入一种新型的Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂SEA0400,可降低左室舒张末期压,增加再灌注后冠脉血流量,提高再灌注后高能磷酸化合物和ATP的恢复。但是,再灌注期加入SEA0400,未能改善缺血引起的酸中毒,也增加了再灌注后室性心律失常的发生率和持续时间[26]。


     6.2.3  麻醉预处理(Anesthetic preconditioning , APC)  Na+/Ca2+交换蛋白抑制剂(K

    剂量[0.01μg/(kg·min)]时,没有改变心率、全身血压和冠状动脉血流量。这个研究给我们一个启示,可以选择出一种无血管作用的但能有效地减轻再灌注损伤的A2AAR激动剂,测定出合适的剂量作为添加剂加入保存液。A2AAR激动剂还可以抑制再灌注后的炎症反应[12]。A3AAR激动剂IB- MECA减少心肌再灌注损伤是通过减少MPTP(mitochondrial permeability transition pore,MPTP,线粒体通透性转化孔)的开放[12]。因为MPTP开放,导致线粒体内的细胞色素C、凋亡蛋白酶激活因子(Apaf)和凋亡诱导因子(AIF)释放,从而诱导心肌细胞的凋亡。进一步阐明腺苷亚型受体介导的心肌保护作用,有望用特异性的腺苷亚型受体激动剂代替腺苷作为添加剂加入器官保存液,以期更好的心肌保护作用。

     4.2  肌苷  肌苷(inosine)为腺苷的代谢产物,过去一直认为肌苷是一种不活泼的代谢产物,但最近发现肌苷对心肌具有保护作用。肌苷可以特异性地抑制 PARS[Poly(ADP-ribose)Polymerase synthetase]激活和调控的细胞死亡[13,14]。在给 Lewis大鼠做腹腔心脏异位移植手术中,供心经历1h缺血保存。结果显示,加入肌苷的保存组,明显提高了再灌注早期心肌和冠脉内皮细胞功能的恢复,移植后还可以持续对抗再灌注诱导的移植心脏冠脉内皮细胞功能的异常[13]。在此实验中肌苷已经显示出了较好的应用前景,但这方面的研究较少,是否能像腺苷一样作为添加剂,还需进一步的实验。

     5  缺血再灌注损伤机制

     缺血再灌注(ischemia-reperfusion,I/R)损伤是胸部暴露手术中最常见也是最主要的损伤,尤其是心脏移植手术。I/R损伤的发生机制尚未完全阐明,目前认为与氧自由基生成和钙超载、白细胞激活有关。

     6  减轻缺血再灌注损伤

     缺血再灌注(ischemia-reperfusion,I/R)损伤是供体心脏要承受的最主要和最严重的损伤,若将以下能减轻I/R损伤的物质作为添加剂加入保存液,很可能延长供体心脏体外停留时间。目前减轻I/R损伤主要研究方面为减少ROS产生和减轻钙超载;此外缺血预处理(ischemia preconditioning, IPC)和多次短暂缺血预处理均能减轻I/R损伤,虽然这两种预处理对心脏移植中几乎不可能应用,但其减轻I/R损伤的机制对器官保存液研究有所提示。

     6.1  减少ROS产生      已有的几种器官保存液中,减少ROS损伤的添加剂大多数为ROS消除剂(UW液中0.922g/L谷胱甘肽,Celsior液中还原型谷胱甘肽、组氨酸和甘露醇)[9]。但在减少ROS损伤方面,减少ROS产生优于清除ROS。

     减少线粒体的氧化作用中ROS生成和中性粒细胞(PMN)ROS生成、提高NAD+的水平和增强心脏抗氧化功能,均能减轻I/R损伤。此外,抗氧化剂可防止I/R诱导的心肌凋亡,减轻I/R损伤,黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase , XO)抑制剂也可减轻自由基损伤。

     6.1.1  减少线粒体的氧化作用中ROS生成      线粒体是细胞内ATP生成和进行各种生化反应的细胞器,也在缺血再灌注期最容易受到损伤的细胞器。若线粒体在I/R期出现不可逆的损伤,将会导致心肌细胞的凋亡。有研究显示 , NNMS(3-硝基-N-甲基-水杨乙酸)可以部分抑制从电子呼吸链复合体Ⅰ和Ⅲ漏出的电子,保护缺血的心肌细胞。其可能机制为:(1)通过减少线粒体 ROS的生成,阻止线粒体钙超载;(2)减少因ROS产生而引起的线粒体PTP的开放,从而减少细胞色素C、凋亡蛋白酶激活因子(Apaf)和凋亡诱导因子(AIF)的释放。这些因子可以激活caspases激酶系统,诱导心肌细胞的凋亡[15]。

     6.1.2  减少中性粒细胞(PMN)I/R期ROS生成        由于缺血造成的损伤产生了具有吸引、激活中性粒细胞的物质,心脏再灌注期心肌重新获得血供,中性粒细胞被吸引、激活,激活的中性粒细胞耗氧量增加,产生大量的ROS。研究显示,潘氟隆乳剂(PFE)是一种全氟化碳(PFCs)(全氟化碳可以溶解氧气,具有抗炎作用和稳定中性粒细胞膜的性质),PFE可减轻PMN产生ROS [16]。再灌注期,由于中性粒细胞的呼吸爆发产生大量的ROS,造成心肌细胞和冠状动脉内皮细胞的损伤,PFE可抑制这一过程。

     6.1.3  增强心脏抗氧化功能  缺血期心肌细胞产生了大量的ROS,消耗了心脏自身的抗氧化物质,降低了心肌的抗氧化损伤的能力。丙酮酸有较好的心肌保护作用,但其起作用的具体机制尚未阐明,



     2.2  高钾对心肌细胞的损害  高K+(UW液,K+138mmol/L)器官保存液在引起心脏停跳的同时,可引起心肌细胞内离子的紊乱[2]。细胞外液K+浓度升高干扰了Ca2+的内流,导致Ca2+的内流延缓,兴奋-收缩耦联受到一定影响。术后再灌注复跳后,可引起心肌收缩功能的异常。再灌注时,高K+还可以引起各种类型的心律失常,严重影响了移植心脏的功能。基于以上原因,临床上一般不用高K+的器官保存液保存心脏。

     2.3  钾通道开放剂在心脏保存液中的应用及机制  在4℃条件下,将二氮嗪(diazoxide,一种线粒体KATP通道开放剂)加入器官保存液,用这种保存液保存离体大鼠心脏10h,复灌注后,实验组心肌细胞明显减少了心肌酶(乳酸脱氢酶、磷酸肌酸激酶及谷草转氨酶) 的漏出量,对心肌细胞超微结构也有较好的保护作用,再灌注后反映了心功能的指标(左心室舒张末期压力、心率、左心室逐渐产生的压力、左心室压力变化率、冠脉流出量)恢复高于对照组[6]。二氮嗪保护心肌的可能机制为:通过降低线粒体外膜的通透性,减少细胞色素C的释放,防止线粒体嵴的变形,保存线粒体结构的完整,从而保护了线粒体的正常功能(如复合体Ⅰ维持线粒体内细胞色素C的隔离,维持心肌细胞内ATP的浓度)[6,7]。雷怕霉素是一种抗真菌药,实验显示它能缺血再灌注后大鼠心肌的梗死面积[8]。雷怕霉素诱导线粒体KATP通道开放的机制可能为:雷怕霉素与mTOR (mammalian target of rapamycin 雷怕霉素结合位点)结合,可以补偿地增加上游激酶如PI-3K(phosphatidylinositol-3 kinase 磷脂酰肌醇-3-激酶)和AKt,这些激酶在激活线粒体KATP通道时是非常重要的[8]。另外,线粒体区域化间隙内的mTOR允许生理性地开放线粒体 KATP通道。雷怕霉素还可以通过上调NO的水平,从而开放线粒体KATP通道[8]。以上研究提示,不论钾离子开放剂,还是通过其他一系列信号转导最终开放线粒体KATP通道的药物(如雷怕霉素开放线粒体KATP通道过程)都具有心肌保护作用。线粒体KATP通道的开放保护心肌可能机制为:通过开放线粒体KATP通道,减少再灌注或再氧合时活性氧(reactive oxygen species ,ROS)的产生[6~8]。而其具体机制需进一步阐明,但钾离子开放剂替代高K+加入器官保存液的优点已有很多相关文献报道。然而,加入何种钾离子开放剂、加入剂量为多少,还需进一步的体内外实验和大量的临床实验来确定。 "

    10-03-05 | 添加评论 | 打赏

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