1.4　药用基因组亲缘学：缘起

直系同源基因是在物种形成过程中由共同祖先基因演变来的分布于不同物种的基因，在药物发现过程中有助于动物模型的选择和分析流程的建立。葛兰素公司的遗传学家David B. Searls（2003）认为充分利用基因组数据有助于挖掘直系同源基因，更好地预测基因功能。比较实验动物和人的基因组，不仅可找到保守功能元件，包括蛋白编码基因和非编码序列，而且能发现基因功能的迁移，从而使研究者充分认识物种间遗传差异，避免选用不适当的动物模型和药物筛选方案。

构建直系同源关系依赖于可靠的系统发育重建。系统发育分析也提供一个估算选择压力和基因功能迁移的框架。可基于计算非同义核苷酸替换与同义核苷酸替换的比值（dN/dS）来估计自然选择的特征和范围（Hao等，2009，2011）。选择性清除（selective sweep）是由于近期较强的正向自然选择，一个突变位点相邻DNA上的核苷酸之间的差异下降或消除，引起核苷酸多态性模式的显著改变。在群体水平，可用选择性清除评价自然选择的特征和范围。

旁系同源基因是由基因倍增产生的同一物种内的同源基因，其对药物发现也有重要作用。旁系同源基因的产物可作为候选的药物靶点，通过结构预测、分子对接、虚拟筛选和实验手段从中获得依从性好的药靶，也有助于充分考虑候选先导化合物的选择性问题。多效性（pleiotropy）即多功能性，指基因或其产物具有多种表型效应或有多种功能。在药物发现过程中需要充分了解旁系同源基因与药靶基因的多效性和功能冗余之间的进化关系，因为多效性和功能冗余是评价蛋白质成药性（druggability）时必须考虑的因素。

与多效性和功能冗余相关的概念是基因对话（crosstalk）和异价同作用基因（heteromery）。对话是指不同信号路径或调控路径组成成分的相互作用使得一条路径的输入信号影响到另一路径的输出信号。异价同作用是指相似但是不同的大分子形成了物理联系，例如，一对蛋白质亚单位形成异二聚体行使特定功能，此概念相对于同价同作用（homomery）概念而言。对话和异价同作用在药物研发中已受到关注，它们和基因转录的可变剪接都被用来解释源于基因组的功能的组合多样性。以上多种基因到功能的投射都能以路径和网络的进化观念来解读，系统发育基因组学方法可检测路径和网络的组成成员的共进化（协同进化）模式，从而有助于功能解析。

系统发育基因组学方法可用于研究可能药靶的进化性质，包括进化速率、选择压力、旁系同源的程度和特征，以及反映基因多效性的因素，包括蛋白质尺寸（高保守蛋白质通常较大）、基因表达的广度以及互作潜力等。基于上述思考，Searls提出了药用基因组亲缘学（pharmacophylogenomics）概念。研究与亚细胞定位有关的药靶蛋白的进化特征（Wang等，2013），比较人、猕猴、小鼠和大鼠可成药的基因组，找到1362个直系同源基因，发现位于细胞核的8.4%在进化上比位于细胞膜（33%）和细胞外（10.5%）的药靶基因更保守。对于进化上不太保守的候选靶点，可利用人源化的动物模型开发药物或疫苗。严重的毒性反应或副作用会导致药物撤出市场，意味着药物开发失败，原因主要是脱靶（off-target）和多靶点等。值得注意的是，撤出市场药物的靶点多位于细胞膜和细胞外。与靶点位于细胞核的药物相比，开发这类药物的难度稍小。今后应加强药物透膜机制研究，发展新的药物传递策略。预测50个进化水平迥异的生物基因组中包含的泛素酶（UBE）和去泛素酶（DUB）（Hutchins等，2013），找到91个UBE/DUB直系同源基因。由于所涉及物种数量较大，直系/旁系同源基因的预测较可靠。UBE/DUB抑制剂组成的化合物库可以用靶蛋白进行筛选，故该研究预测的各物种UBE/DUB可成为药用基因组亲缘学分析的工具箱。预测结果能帮助识别直系同源基因的功能迁移，帮助深入分析互作分子的共进化、基因多效性和功能冗余，这些问题在药物开发流程中推断物种差异，选择适合的药靶和疾病动物模型时必须考虑到。药用基因组亲缘学认为分析进化速率可帮助识别候选药靶。理想的抗生素药靶在进化上受限（Gladki等，2013），经受严格的纯化选择，即药靶蛋白的突变通常因为有害而被选择作用移除，这样便不易产生细菌耐药性。此点已被药靶进化速度的分析所证实。pN代表物种内某基因的非同义（碱基变化引起相应氨基酸替换）多态性，pS代表物种内同义（碱基变化未导致氨基酸替换）多态性，pN/pS是通过种内多样性比较考查纯化选择的指标。发现八种致病菌药靶基因的pN/pS显著低于各自基因组平均值，也低于由实验方法识别的基本基因（essential gene，与非基本基因比较，进化速度明显较慢；图1-8）的pN/pS。用dN/dS可比较来自不同种菌的直系同源基因，结果有类似pN/pS的发现，提示药靶进化较慢，而且进化速率比基本性（essentiality）能更好地预测蛋白质成药性（druggability）。慢进化基因中不仅包含熟知的抗生素药靶，如核糖体蛋白、拓扑异构酶、RNA聚合酶和旋转酶，也包括尚未作为药靶的蛋白，如琥珀酸脱氢酶和金属结合蛋白等，值得深入研究。

图1-8 　抗生素药靶基因在8个病原菌基因组中的分布

抗菌药包括环丝氨酸、三氯沙、三甲氧苄二氨嘧啶、磺胺、夫西地酸、莫匹罗星、喹诺酮类、利福平、大环内酯类、四环素、glacycyline、瑞他莫林、氨基糖苷类、β-内酰胺类抗生素和磷霉素（Gladki等，2013）。ω＝dN/dS。