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进入21世纪以来,各种呼吸道传染疾病的发生,引起了世界范围的关注。首先是2003年的春季爆发了新型呼吸道传染病非典型肺炎(SARS)。研究表明,引起该病的病原体是一种新发现的属于冠状病毒科的单链RNA病毒。虽然人们对于SARS病毒做了大量研究工作,但是病毒的起源和进化的问题一直没有定论,在病毒的快速检测和治疗上也有很多问题。为解决上述问题,本文着眼于抓住遗传信息的整体特征,出于寻找对称性设计的思想,利用元胞自动机原理,选取合适的规则(rule=184),将核酸序列进行数字信号编码,使一维核酸序列衍生为二维图像,以寻找反映序列特征的对称性图案。将SARS病毒与其他冠状病毒的核酸二维图像进行比对后,发现在SARS病毒的RNA二维图像中有明显的V字形区域,所有SARS病毒核酸序列均可形成6个跨度较大的V字形区域,非SARS冠状病毒则无该特征图像。所以,将SARS基因组生成图像中的特殊纹理图案命名为SARS基因的二维指纹图谱,并认定RNA生成图像中的V字形图形反映的是区别SARS与非SARS病毒的一种局部对称性。该种局部对称性可以轻易地将SARS和普通冠状病毒区分开来,支持SARS为冠状病毒属的一个新亚类的观点,有利于病毒的检测和跟踪;从V字形的大小和位置来看,可以判断SARS和鸟类传染性支气管炎和(IBV)猪传染性肠胃炎病毒(TGV)亲缘关系比较近。
通过对SARS病毒基因可视化图谱细节的数学分析,发现184规则对核酸碱基A和U的变化比较敏感。V字形前半段以腺嘌呤为主,后半段以鸟嘧啶为主。在所有SARS病毒株的基因组中,相关区域的多聚A的数目高于多聚U。而在非SARS病毒里,其比例是相反的;而且大跨度的V字形绝非可以随机生成。因此,继续深入探讨这种大跨度上的A、U对称关系,对研究核酸高级结构以及病毒传染性毒力变化是有价值的。
在SARS病毒RNA序列中,虽然因为V字形局部对称的出现,有多聚A的数目高于多聚U的现象,但是全序列中A和U的总数却是最相近的。对各种冠状病毒基因全序列做求和函数曲线图后发现,SARS病毒核酸序列中,A、U含量是最平衡的,其次是TGV和IBV。这再次支持了SARS和IBV、TGV之间的亲近关系,也提示SARA病毒可能是种存在了很长时间的成熟病毒,之前只是没有与人有过接触而已。而IBV和TGV也许是从SARS演化而来。
SARS疫情过后,禽流感病毒的威胁又出现在世界各地,人们一直怀疑H5N1病毒引起比SARS疫情更为严重的灾难,在人群中出现爆发性流行的可能性。因此,H5N1致病性研究就成了热点。血凝素蛋白前体HA0成功裂解成两个亚单位HA1和HA2是病毒感染的必要条件。本文鉴于发现SARS病毒基因序列局部对称性特征的经验,对H5N1基因序列,采用216号规则得出二维生成图像。对比各种流感病毒HA蛋白的生成图的差异,发现H5N1、H5N2、H5N3图形相似,而H5、H3、H1、H7之间则差异显著。相似的生成图中,HA基因都有一个位置基本相同的黑色三角,而且该黑三角尺寸在H5N1是明显最大的。这个能把H5N1的HA和其他类型的HA区分开来的大黑色三角形,被称为H5N1-H5基因的指纹图谱。该三角形特征性地对应了一段长度大约为30bps,主要由核苷酸A和G组成的特征基因片段:CAAAGAGAGAGAAGAAGAAAAAAGAGAGGA,其翻译产物正好是血凝素蛋白的切割位点片段。分析所有流感病毒数的HA多肽序列,发现该切割片断的各种点突变类型可以按碱性氨基酸变化情况分为6类。统计其在时间和地域上的分布情况,发现突变的比例在逐年增加,特别是经典片断在消失中,新的突变类型在出现,含有的碱性氨基酸平均数目从7个减少到了6个。目前,新突变的切割片段与弗林蛋白酶结合自由能衰减幅度都不大,基本不对病毒的高致病性产生影响。但是如果更多点突变发生,则病毒的致病性有减弱趋势。
对于SARS、H5N1、H1N1这样的呼吸道传染病毒,运用信息学手段研究其遗传基因仅仅是亟需解决问题的一部分,更重要的是如何对抗其引发的大规模感染。对付病毒,还没有找到特效药。现有西医临床化疗方案,存在着明显副作用而且容易产生抗药性。对抗SARS爆发时,临床普遍使用的激素类药物产生了痛苦的教训。所以,寻找高效、低副作用的治疗方法成为重要课题。穴位注射大约始于中国20世纪50年代,是在经络腧穴上,适量注射液体药物,以治疗各类疾病的方法。临床和实验研究表明,穴位注射药物产生药理作用速度快、作用强,疗效与同药等剂量下静脉注射者相当或超过,显著强于皮下或肌肉注射。业内人士认为,经络有定向输送药物的能力,所以将穴位注射疗法运用到当前的抗呼吸道传染性疾病的治疗中,在不变动药物的前提下,将大大提高临床疗效减少药物的毒副作用。目前穴位注射虽然在临床上有大量的实践,其原理却远未明白。这是对推广该疗法的最大阻碍。根据药理学原理,药效强度依赖于药物在脏器组织内的分布。研究穴位注射疗法对药物在体内组织器官中分布的影响情况,将有助于揭示穴位注射的作用机理。本实验以足三里为穴位注射疗法的实验穴位,选择氯霉素为注射药物。选两组大鼠分别在足三里和非穴位对照点一次性注射氯霉素后,按不同时间点对血液和内脏组织取样,以色谱-质谱分析方法测定其药物浓度。结果发现,足三里穴位注射对血药浓度影响不大,但可以迅速而显著的提高胃组织的药物浓度并维持较长时间;也可以长时间显著提高小肠组织的药物浓度,但小肠中药物浓度峰值晚于胃脏。短时间里穴位注射就能改变内脏的药物分布状况,使胃组织的药物浓度超过心脏和小肠,仅次于脾脏。同时,也提高了脾脏的药物浓度。而对于其他器官组织,并无影响。所以本文认为穴位注射的药效,主要来于穴位主导的的药物靶向性输送的结果。该输药途径可能是由体液定向运动构成,合乎经络的走向。因此,可以为临床提供一条新的给药途径,并为经络的研究给出新的证据。