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基于网络药理学的葶苈子潜在作用机制研究

2019-09-10史佩玉林樫陈国铭方彩珊綦向军侯颖跃罗冬强邢万里黄睿澜罗文婷

中国药房 2019年20期
关键词:信号通路网络药理学药理作用

史佩玉 林樫 陈国铭 方彩珊 綦向军 侯颖跃 罗冬强 邢万里 黄睿澜 罗文婷

中图分类号 R285 文献标志码 A 文章编号 1001-0408(2019)20-2823-06

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2019.20.17

摘 要 目的:探讨葶苈子潜在的药理作用机制,为其进一步开发利用和临床应用提供参考。方法:利用中药系统药理学分析平台数据库和STRING数据库筛选并确认葶苈子的有效成分和相关靶标蛋白;运用Cytoscape 3.7.0软件构建葶苈子有效化合物-靶标蛋白可视化网络,并进行网络拓扑学分析;借助STRING数据库和Cytoscape 3.7.0软件构建并分析葶苈子靶标蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络;通过DAVID生物信息学资源数据库对靶标蛋白进行KEGG通路富集分析。结果:共筛选获得葶苈子有效化合物9个,包括槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇等;获得靶标蛋白174个,主要包括人前列腺素内源性过氧化物合酶2(PTGS2)、核受体共激活因子2、孕酮受体等,其中转录因子AP-1(JUN)、丝裂原活化蛋白激酶1(MAPK1)是PPI网络中的核心蛋白。KEGG富集通路包括磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路、肿瘤坏死因子α(TNF-α)信号通路、缺氧诱导因子1信号通路、Toll样受体信号通路、甲状腺激素信号通路等。结论:葶苈子中的槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇等有效化合物可能通過PI3K/Akt信号通路、TNF-α信号通路等作用于PTGS2、JUN、MAPK1等靶标蛋白,进而发挥泻肺平喘、利水消肿的功效。

关键词 葶苈子;网络药理学;药理作用;机制;有效化合物;靶标蛋白;信号通路

ABSTRACT   OBJECTIVE: To investigate the potential pharmacological mechanism of the seed of Draba nemorosa, and to provide reference for further development, utilization and clinical application. METHODS: Effective components and related target proteins of D. nemorosa were screened and identified by using TCMSP and STRING database. Cytoscape 3.7.0 software was used to construct a visual network of effective components and target proteins for the seed of D. nemorosa, and the network topology analysis was performed. The targeting protein-protein interaction (PPI) network was constructed and analyzed by STRING database and Cytoscape 3.7.0 software. KEGG pathway enrichment of target proteins was analyzed by DAVID bioinformatics resource database. RESULTS: A total of 9 effective components were screened from the seed of D. nemorosa, including quercetin, kaempferol, β-sitosterol, etc. Totally 174 target proteins were obtained, mainly including PTGS2, NCOA2, PGR, etc. Among them, JUN and MAPK1 were core proteins in PPI network. KEGG enrichment pathway included PI3K/Akt signaling pathway, TNF-α signaling pathway, HIF-1 signaling pathway, Toll-like receptor signaling pathway and thyroid hormone signal pathway, etc. CONCLUSIONS: Effective components from the seed of D. nemorosa such as quercetin, kaempferol and β-sitosterol may act on PTGS2, JUN and MAPK1 target proteins through PI3K-Akt signaling pathway and TNF-α signaling pathway, thus exert the effects of purging lung, relieving asthma, promoting edema and reducing edema.

KEYWORDS   Seed of Draba nemorosa; Network pharmacology; Pharmacological effect; Mechanism; Effective components; Target protein; Signaling pathway

葶苈子为十字花科植物播娘蒿[Descurainia sophia(L.)Webb ex Prantl]或独行菜(Lepidium apetalum Willd.)的干燥成熟种子,其味辛、苦,性大寒,归肺、膀胱经,具有泻肺平喘、行水消肿之功效,可用于痰涎壅肺、喘咳痰多、胸胁胀满、胸腹水肿、小便不利等症的治疗[1]。现代药理研究证实,葶苈子具有止咳平喘、强心利尿、抗肿瘤等作用,具有一定的开发价值[2]。

中药药效的物质基础由多种结构和功能各异的化合物组成,其药效的发挥也并非集中于某一特定靶标,而是涉及多个靶标[3]。作为新兴学科,网络药理学打破了原有单一的研究框架,构建了“药物-成分-靶点-疾病”的多层次网络,与中医药整体观理论相契合[4]。该学科可为从分子生物学水平阐明中药“多成分、多靶点、多通路”作用机制提供科学依据,且具有整体性和系统性的特点[5]。笔者通过查阅文献发现,目前关于葶苈子的现代药理研究多集中于其有效化学成分、药理作用、生物活性、质量控制等领域,而有关其多成分、多靶标、多途径、多效应药效作用机制的系统性研究则相对较少。为此,本研究拟采用网络药理学方法分析并预测葶苈子的潜在作用机制,以期为该药材的进一步开发利用及临床应用提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 获取葶苈子有效化合物和靶标蛋白

本研究依托中药系统药理学分析平台(TCMSP,http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php),以“葶苈子”作为“Herb name”进行检索,并通过口服生物利用度(OB)和类药性(DL)来筛选葶苈子中活性较高的化合物。其中,OB是指口服药物被吸收后进入循环系统,并保持药理活性的比例,是评价活性成分药动学行为的关键指标;DL则体现了化合物与已知药物的相似性,是评价成药性高低的重要指标[3]。本研究以OB≥30%、DL≥0.18為筛选标准,对葶苈子的有效化合物及其靶标信息进行筛选,以提高数据的真实性与可靠性[6]。将葶苈子有效化合物靶标信息输入蛋白质相互作用平台STRING数据库(https://string-db.org/),以获取其有效化合物靶标蛋白的标准名称。

1.2 构建有效化合物-靶标蛋白网络

将上述筛选所得的葶苈子有效化合物和靶标蛋白相关信息输入Cytoscape 3.7.0软件(http:/cytoscape.org/)进行可视化处理,并构建葶苈子有效化合物-靶标蛋白网络。其中,葶苈子有效化合物及靶标蛋白用节点表示,两节点间的相互作用关系用边表示。使用软件中的“Network analyzer”工具进行网络拓扑学分析,以节点度值(Degree)和中介中心度(Betweenness centrality)来评估节点的重要程度,上述参数值的大小均与对应节点在该网络中的重要程度成正比[7]。

1.3 构建蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络

PPI是生物分子网络中的基本组成元件,是疾病发生发展的关键环节[8],故本研究使用STRING数据库获取靶标蛋白相互作用关系,从PPI层次探讨葶苈子的潜在作用机制。将葶苈子靶标蛋白信息输入STRING数据库,物种设为“Homo sapiens”,最低相互作用阈值设为最高置信度“Highest confidence(0.900)”,同时设置“Hide disconnected nodes in the network”以隐藏网络中无关联的节点,其余参数均为“默认”,构建PPI关系。将上述PPI关系导入Cytoscape 3.7.0软件进行可视化处理,以获取PPI网络;以度值大于2倍平均度值为标准筛选核心靶标蛋白,并采用Excel 2010软件绘制相应蛋白的信息条形图。

1.4 KEGG通路富集分析

将葶苈子相关作用靶标蛋白的编码基因导入DAVID生物信息学资源数据库(https://david.ncifcrf.gov/)中进行KEGG通路富集分析。物种设为“Homo sapiens”,计算所有富集通路的P值,并采用Bonferroni法进行校正,P<0.01的结果被认为是“显著富集”[6],挖掘葶苈子靶标蛋白编码基因参与的KEGG通路信息。

2 结果

2.1 葶苈子有效化合物和靶标蛋白筛选结果

从TCMSP数据库中共获得葶苈子的相关化合物68个,参照OB≥30%、DL≥0.18的标准共筛选出化合物12个;排除无对应靶标或靶标蛋白无标准名称的化合物,共筛选得葶苈子中的有效化合物9个、靶标蛋白174个,详见表1、表2。

2.2 葶苈子有效化合物-靶标蛋白网络分析结果

通过Cytoscape 3.7.0软件获得葶苈子有效化合物-靶标蛋白网络,见图1。由图1可见,该网络共有183个节点、275条边。其中,最外两圈表示度值为1的靶标蛋白,再往里两圈表示度值>1的靶标蛋白,最内圈表示葶苈子的有效化合物(其形状大小与度值成正比)。网络拓扑学分析结果显示,该网络节点的平均度值为3.005,大于该平均值的节点有10个;平均中介中心度为0.014,大于该平均值的节点有10个。根据节点度值、中介中心度等网络拓扑学特征进行核心节点的筛选,结果显示,槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇、异鼠李素、常春藤皂苷元等有效化合物以及PTGS2、NCOA2、PTGS1、GABRA1、PPARG等靶标蛋白在葶苈子有效化合物-靶标蛋白网络中具有重要作用,可能是葶苈子发挥药效的核心化合物及靶标蛋白。

2.3 葶苈子靶标蛋白PPI网络分析结果

共得到靶标蛋白152个,其PPI网络见图2。由图2可见,该网络共有152个节点、629条边,平均度值为8.276。其中,96个圆形节点表示度值小于平均度值的靶标蛋白,38个三角形节点表示度值大于平均度值但小于2倍平均度值的靶标蛋白,18个正六边形节点表示度值大于2倍平均度值的靶标蛋白。

参考各节点的度值绘制核心靶标蛋白(即度值大于2倍平均度值的靶标蛋白)信息条形图,结果见图3。由图3可见,JUN、MAPK1的度值分别为36、34,大于其余靶标蛋白,在PPI网络中起枢纽作用,可能是葶苈子发挥泻肺平喘、利水消肿功效的关键靶标蛋白。

2.4 KEGG通路富集结果

共得到KEGG富集通路35条(P值均小于0.01)。采用P值和基因富集数量交叉筛选的方法,筛选出P值与基因富集数均排名前10位的信号通路,结果见表3。由表3可见,葶苈子靶标蛋白的编码基因主要富集于TNF-α信号通路、HIF-1信号通路、Toll样受体信号通路、甲状腺激素信号通路、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路、MAPK信号通路等。

3 讨论

葶苈子首载于《神农本草经》,可“破坚逐邪,通利水道,凡积聚寒热从水气来者,此药主之”,临床上常用以治疗痰涎壅肺、胸胁胀满、喘咳哮鸣、小便不利等症,具有很好的疗效[9-10]。中药具有多成分、多靶点、多通路的作用特点,本研究运用网络药理学从“成分-靶点-通路”水平初步探讨了葶藶子的潜在作用机制。

3.1 有效化合物和靶标蛋白

葶苈子有效化合物-靶标蛋白网络分析结果表明,槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇等有效化合物和PTGS2等靶标蛋白是葶苈子关键化合物与靶标蛋白。PPI网络分析结果表明,JUN和MAPK1的度值大于其余靶标蛋白。

槲皮素为天然的多羟基黄酮类化合物,具有抗炎、抗氧化、抗过敏、抗风湿、调节免疫等作用[11-12]。相关文献报道,该化合物可缓解肺部相关疾病,并可有效减轻肺组织的损伤[13-14]。此外,在发生慢性支气管炎或肺气肿时,辅助性T淋巴细胞2(Th2)细胞和嗜酸性粒细胞含量增多,气道呈高反应性,黏液产生增多,从而导致患者气道阻塞、呼吸不畅并与黏液相搏,临床上常表现为喘咳哮鸣、胸胁胀满、痰涎壅肺,而槲皮素可通过抑制促炎介质的过度释放来发挥宣肺平喘的功效[15]。山柰酚具有抗炎、抗氧化等作用,可下调核因子κB(NF-κB)信号通路,抑制IL-6、TNF-α等炎症因子分泌,在急性肺损伤中发挥着重要的作用[16]。β-谷甾醇对脂多糖致急性肺损伤模型小鼠具有一定的保护作用,可通过阻止炎症因子的释放、抑制NF-κB信号通路的活化等途径来发挥平喘的作用[17]。

PTGS2又称环氧合酶2(COX-2),其高水平表达与机体免疫活性密切相关[18]。COX-2抑制剂可增加肺癌对放疗的敏感性,提高治疗效果,且对肺癌所致喘咳、咳痰具有一定的抑制作用[18-19]。c-jun是早期原癌基因,哮喘形成过程中产生的各种细胞因子、炎症介质等均可促进其编码产物JUN蛋白的表达[20],是葶苈子发挥泻肺平喘功效的关键蛋白,这与笔者预测的JUN靶标蛋白在葶苈子PPI网络中具核心作用基本相符。MAPK1靶标蛋白主要存在于支气管平滑肌细胞胞浆中,能缓解气道重塑、减少炎症因子表达、调节气道炎症反应、减轻咳喘症状[21]。MAPK通路与肺癌细胞增殖、凋亡密切相关,抑制该通路的活性,可促进肺癌细胞的凋亡、抑制其增殖[22]。

据此,笔者认为葶苈子发挥泻肺平喘功效与其所含槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇等有效化合物和PTGS2、JUN、MAPK等靶标蛋白有关,这些活性化合物可借助上述靶标蛋白而抑制肺和支气管炎症的发生、调节机体免疫活性、降低促炎介质的释放、减少肺与支气管黏液的生成、缓解气道阻塞。中医认为,支气管隶属肺系,为气道的分支,故抑制肺和支气管炎症的产生即抑制肺系炎症的产生,宣肺即“护肺”[23]。本研究结果与上述理论基本一致。

3.2 信号通路

KEGG通路富集分析结果显示,TNF-α信号通路、HIF-1信号通路、Toll样受体信号通路、甲状腺激素信号通路、PI3K/Akt信号通路、MAPK信号通路等是葶苈子发挥药效的重要信号通路,其中大多数靶标蛋白的编码基因主要富集于PI3K/Akt信号通路和TNF-α信号通路。其中,PI3K/Akt信号通路可通过抑制或调节心室重构、内皮细胞迁移、能量代谢等机制改善心肌功能,起到强心作用[24],这与葶苈子能够通过加强心肌收缩力、改善心脏泵血功能而起到利尿作用[25]相一致。因此,笔者预测葶苈子可通过调控PI3K/Akt信号通路来发挥利水消肿的功效,故而可用于治疗小便不利、胸腹水肿等症。TNF-α信号通路可促进趋化因子、促炎因子的表达,在气道黏液高分泌过程中具有重要作用[26-27]。气道黏液高分泌会导致痰液增多,而葶苈子可通过调控TNF-α信号通路来减少炎症因子和气道黏液的产生,从而达到治疗痰涎壅盛等症的目的。

4 结语

本研究基于网络药理学的方法,对葶苈子的潜在作用机制进行了分析,结果发现,葶苈子中的槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇等有效化合物可能通过PI3K/Akt信号通路、TNF-α信号通路等信号通路作用于PTGS2、JUN、MAPK1等靶标蛋白而发挥宣肺平喘、利水消肿的功效,且上述作用具有多成分、多靶点、多通路的特点,与祖国医学的整体观不谋而合。但本研究在筛选核心化合物与靶标蛋白时存在一定的主观性,可能导致结果具有一定的局限性与片面性,故本文结论有待基础和临床研究的进一步验证。

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(收稿日期:2019-02-18 修回日期:2019-07-29)

(编辑:张元媛)

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