1.4　藥用基因組親緣學(xué)：緣起

直系同源基因是在物種形成過(guò)程中由共同祖先基因演變來(lái)的分布于不同物種的基因，在藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程中有助于動(dòng)物模型的選擇和分析流程的建立。葛蘭素公司的遺傳學(xué)家David B. Searls（2003）認(rèn)為充分利用基因組數(shù)據(jù)有助于挖掘直系同源基因，更好地預(yù)測(cè)基因功能。比較實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人的基因組，不僅可找到保守功能元件，包括蛋白編碼基因和非編碼序列，而且能發(fā)現(xiàn)基因功能的遷移，從而使研究者充分認(rèn)識(shí)物種間遺傳差異，避免選用不適當(dāng)?shù)膭?dòng)物模型和藥物篩選方案。

構(gòu)建直系同源關(guān)系依賴(lài)于可靠的系統(tǒng)發(fā)育重建。系統(tǒng)發(fā)育分析也提供一個(gè)估算選擇壓力和基因功能遷移的框架?？苫谟?jì)算非同義核苷酸替換與同義核苷酸替換的比值（dN/dS）來(lái)估計(jì)自然選擇的特征和范圍（Hao等，2009，2011）。選擇性清除（selective sweep）是由于近期較強(qiáng)的正向自然選擇，一個(gè)突變位點(diǎn)相鄰DNA上的核苷酸之間的差異下降或消除，引起核苷酸多態(tài)性模式的顯著改變。在群體水平，可用選擇性清除評(píng)價(jià)自然選擇的特征和范圍。

旁系同源基因是由基因倍增產(chǎn)生的同一物種內(nèi)的同源基因，其對(duì)藥物發(fā)現(xiàn)也有重要作用。旁系同源基因的產(chǎn)物可作為候選的藥物靶點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子對(duì)接、虛擬篩選和實(shí)驗(yàn)手段從中獲得依從性好的藥靶，也有助于充分考慮候選先導(dǎo)化合物的選擇性問(wèn)題。多效性（pleiotropy）即多功能性，指基因或其產(chǎn)物具有多種表型效應(yīng)或有多種功能。在藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程中需要充分了解旁系同源基因與藥靶基因的多效性和功能冗余之間的進(jìn)化關(guān)系，因?yàn)槎嘈院凸δ苋哂嗍窃u(píng)價(jià)蛋白質(zhì)成藥性（druggability）時(shí)必須考慮的因素。

與多效性和功能冗余相關(guān)的概念是基因?qū)υ?huà)（crosstalk）和異價(jià)同作用基因（heteromery）。對(duì)話(huà)是指不同信號(hào)路徑或調(diào)控路徑組成成分的相互作用使得一條路徑的輸入信號(hào)影響到另一路徑的輸出信號(hào)。異價(jià)同作用是指相似但是不同的大分子形成了物理聯(lián)系，例如，一對(duì)蛋白質(zhì)亞單位形成異二聚體行使特定功能，此概念相對(duì)于同價(jià)同作用（homomery）概念而言。對(duì)話(huà)和異價(jià)同作用在藥物研發(fā)中已受到關(guān)注，它們和基因轉(zhuǎn)錄的可變剪接都被用來(lái)解釋源于基因組的功能的組合多樣性。以上多種基因到功能的投射都能以路徑和網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化觀念來(lái)解讀，系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)方法可檢測(cè)路徑和網(wǎng)絡(luò)的組成成員的共進(jìn)化（協(xié)同進(jìn)化）模式，從而有助于功能解析。

系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)方法可用于研究可能藥靶的進(jìn)化性質(zhì)，包括進(jìn)化速率、選擇壓力、旁系同源的程度和特征，以及反映基因多效性的因素，包括蛋白質(zhì)尺寸（高保守蛋白質(zhì)通常較大）、基因表達(dá)的廣度以及互作潛力等?；谏鲜鏊伎迹琒earls提出了藥用基因組親緣學(xué)（pharmacophylogenomics）概念。研究與亞細(xì)胞定位有關(guān)的藥靶蛋白的進(jìn)化特征（Wang等，2013），比較人、獼猴、小鼠和大鼠可成藥的基因組，找到1362個(gè)直系同源基因，發(fā)現(xiàn)位于細(xì)胞核的8.4%在進(jìn)化上比位于細(xì)胞膜（33%）和細(xì)胞外（10.5%）的藥靶基因更保守。對(duì)于進(jìn)化上不太保守的候選靶點(diǎn)，可利用人源化的動(dòng)物模型開(kāi)發(fā)藥物或疫苗。嚴(yán)重的毒性反應(yīng)或副作用會(huì)導(dǎo)致藥物撤出市場(chǎng)，意味著藥物開(kāi)發(fā)失敗，原因主要是脫靶（off-target）和多靶點(diǎn)等。值得注意的是，撤出市場(chǎng)藥物的靶點(diǎn)多位于細(xì)胞膜和細(xì)胞外。與靶點(diǎn)位于細(xì)胞核的藥物相比，開(kāi)發(fā)這類(lèi)藥物的難度稍小。今后應(yīng)加強(qiáng)藥物透膜機(jī)制研究，發(fā)展新的藥物傳遞策略。預(yù)測(cè)50個(gè)進(jìn)化水平迥異的生物基因組中包含的泛素酶（UBE）和去泛素酶（DUB）（Hutchins等，2013），找到91個(gè)UBE/DUB直系同源基因。由于所涉及物種數(shù)量較大，直系/旁系同源基因的預(yù)測(cè)較可靠。UBE/DUB抑制劑組成的化合物庫(kù)可以用靶蛋白進(jìn)行篩選，故該研究預(yù)測(cè)的各物種UBE/DUB可成為藥用基因組親緣學(xué)分析的工具箱。預(yù)測(cè)結(jié)果能幫助識(shí)別直系同源基因的功能遷移，幫助深入分析互作分子的共進(jìn)化、基因多效性和功能冗余，這些問(wèn)題在藥物開(kāi)發(fā)流程中推斷物種差異，選擇適合的藥靶和疾病動(dòng)物模型時(shí)必須考慮到。藥用基因組親緣學(xué)認(rèn)為分析進(jìn)化速率可幫助識(shí)別候選藥靶。理想的抗生素藥靶在進(jìn)化上受限（Gladki等，2013），經(jīng)受?chē)?yán)格的純化選擇，即藥靶蛋白的突變通常因?yàn)橛泻Χ贿x擇作用移除，這樣便不易產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性。此點(diǎn)已被藥靶進(jìn)化速度的分析所證實(shí)。pN代表物種內(nèi)某基因的非同義（堿基變化引起相應(yīng)氨基酸替換）多態(tài)性，pS代表物種內(nèi)同義（堿基變化未導(dǎo)致氨基酸替換）多態(tài)性，pN/pS是通過(guò)種內(nèi)多樣性比較考查純化選擇的指標(biāo)。發(fā)現(xiàn)八種致病菌藥靶基因的pN/pS顯著低于各自基因組平均值，也低于由實(shí)驗(yàn)方法識(shí)別的基本基因（essential gene，與非基本基因比較，進(jìn)化速度明顯較慢；圖1-8）的pN/pS。用dN/dS可比較來(lái)自不同種菌的直系同源基因，結(jié)果有類(lèi)似pN/pS的發(fā)現(xiàn)，提示藥靶進(jìn)化較慢，而且進(jìn)化速率比基本性（essentiality）能更好地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)成藥性（druggability）。慢進(jìn)化基因中不僅包含熟知的抗生素藥靶，如核糖體蛋白、拓?fù)洚悩?gòu)酶、RNA聚合酶和旋轉(zhuǎn)酶，也包括尚未作為藥靶的蛋白，如琥珀酸脫氫酶和金屬結(jié)合蛋白等，值得深入研究。

圖1-8 　抗生素藥靶基因在8個(gè)病原菌基因組中的分布

抗菌藥包括環(huán)絲氨酸、三氯沙、三甲氧芐二氨嘧啶、磺胺、夫西地酸、莫匹羅星、喹諾酮類(lèi)、利福平、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、四環(huán)素、glacycyline、瑞他莫林、氨基糖苷類(lèi)、β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素和磷霉素（Gladki等，2013）。ω＝dN/dS。