Nature 转录组+代谢组 中草药
https://mp.weixin.qq.com/s/7UoEZP2RlcJHvbbteveS8A
中药是指在中医药理论下，用于预防、治疗、康复和保健的天然药物及其加工产品。从神农尝百草至今，我国劳动人民在几千年的疾病斗争中，积累了丰富的医药知识，也基于中医药理论挖掘了大量具有丰富药理作用的药材。
中药有效成分的形成积累和生长环境密切相关，因此“道地”对药材质量具有重要意义。一方水土养育一方药材，各地均有特色道地药材。华南地区的“粤十味”，华东地区的“浙八味”以及华中地区的“十大楚药”等均是对不同区域优质道地药材的全面总结。
对于中药的现代化研究已经逐渐广泛，从青蒿素到防治新冠，中药扮演着越来越重要的角色。同时在国家的支持与扶持下，中药研究水平也得到了快速提升。但是随着研究的深入，也出现了阻碍中药进一步研究的问题，如基因组的缺失、中药成分药效作用机制的不明确、中药成分的不清晰等，因此中药多组学的研究思路应运而生。
其中转录组和代谢组的联合使用更是中药研究的经典思路。基于药物本身，利用转录组探究不同产地、不同品系药材的转录差异，再结合代谢组整体解析关键代谢物的调控机制；基于作用机制，通过设立差异组别，联合转录组和代谢组，从转录调控到代谢产物，一“头”一“尾”搭建全面的代谢物调控网络，从而多维度的去解析中药作用。
图1. 中药多组学研究思路
01 转录+代谢揭示嘉兰百合秋水仙碱合成机制
发表期刊：Nature
发表时间：2020年7月
研究概要：
秋水仙碱来源于秋水仙和嘉兰属植物，广泛被应用于治疗炎症疾病，但对其药用活性物质在植物中的完成代谢途径尚不清楚，因此阐明秋水仙碱在植物中的代谢途径对后续药物研究极为重要。
研究利用转录组和代谢组学技术对嘉兰百合进行检测，发现了8个用于合成秋水仙碱前体n-甲酰基秋水酰碱的关键基因，同时发现了一种非典型P450，可以对秋水仙碱产生有极大作用，可以通过催化反应，产生秋水仙碱骨架。进一步利用新鉴定基因，构建了n-甲酰基秋水酰碱的生物合成途径。研究揭示了秋水仙碱的代谢合成途径，并提供了进一步研究药用植物天然产物的有效策略。
图2. 结合转录组学和代谢组学确定秋水仙碱生物合成基因
02 转录+代谢揭示不同生态型肉苁蓉的质量差异及内在调控机理
发表期刊：Plant Mol Biol
发表时间：2020年2月
研究概要：
肉苁蓉是一种即可使用又可入药的植物，研究为了解析其对不同环境的反应机制，从盐碱地、草地、沙地三种生态型中采集样品，进行转录组和代谢组检测。在鉴定的578种代谢物中，发现218、209和215种化合物在三种生态型中存在差异。特别是，属于苯乙醇苷 (PhGs) 的2-乙酰乙酸苷是最显着的差异产生的，其VIP> 0.5和倍数变化>2，代表了区分三种生态型的潜在化学标记，即显著差异。RNA-Seq分析显示52,043个 unigenes，其中947、632和97个在三种生态型中差异表达。通过分析三种生态型之间代谢组谱和转录组谱之间的相关性，发现与PhGs生物合成相关的12个关键基因存在差异表达。特别是，与其他两种相比，盐碱地中 PAL、ALDH和GOT基因的表达显着上调。总之，我们发现与其他生态型相比，盐碱地的 PhGs 含量更高。这可能是由于 PhGs 生物合成基因在盐碱条件下的上调。
图3. 三种生态型的肉苁蓉
03 转录+代谢联合揭示人参提取物保肝作用
发表期刊：Biomed Pharmacother
发表时间：2021年11月
研究概要：
研究通过整合转录组和代谢组，揭示了由过量服用对乙酰氨基酚（APAP）造成的损伤和通过使用人参芽提取物（GSE）获得的肝脏保护物质。该研共有4918个基因和127个代谢物分别被鉴定为差异表达基因和差异代谢物。根据 KEGG的富集，GSE显着改变了初级胆汁酸生物合成、胆汁分泌、视黄醇代谢、组氨酸和其他几种与氨基相关的代谢途径，并在转录组学中被随后过量的APAP干扰，如以及代谢组学水平。与这些途径相关的15种关键生物标志代谢物在APAP处理和GSE预处理的肝组织中上调，据报道具有抗氧化、抗炎、抗凋亡和/或免疫调节功能，其中三种甚至具有直接保肝作用。通过相关性分析进一步验证了调节这些代谢物的25个重要unigenes。研究结果表明，GSE可能是预防过量 APAP 引起的肝损伤的有效膳食补充剂。
图4. GSE和APAP对胆汁酸影响
总 结
中药是中华文明智慧的结晶，但利用现代科学对中药资源的研究还是较少，无论是药用植物化学成分的鉴定、道地药材的指纹图谱、药用植物的代谢途径、道地药材的胁迫响应还是基于中药药理的的疾病治疗机制等研究相比与西药依然缺乏。从旧时代的《本草纲目》到新时代的“十大楚药”，中医中药是值得我们深入研究的广阔蓝海，结合多组学技术，深度解析，中药资源终会逐步走上世界舞台。
参考文献：
[1] Nett RS, Lau W, Sattely ES. Discovery and engineering of colchicine alkaloid biosynthesis [published correction appears in Nature. 2020 Jul 30;:]. Nature. 2020;584(7819):148-153.
[2] Sun X, Li L, Pei J, Liu C, Huang LF. Metabolome and transcriptome profiling reveals quality variation and underlying regulation of three ecotypes for Cistanche deserticola. Plant Mol Biol. 2020;102(3):253-269.
[3] Yao F, Wang X, Cao X, et al. Integration of transcriptomics and metabolomics confirmed hepatoprotective effects of steamed shoot extracts of ginseng (Panax ginseng C.A. Meyer) on toxicity caused by overdosed acetaminophen. Biomed Pharmacother. 2021;143:112177.
