基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討煙毒成分與肺癌易感基因的關(guān)系

何潔，常福厚

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一醫(yī)院 藥劑科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討煙毒成分與肺癌易感基因的關(guān)系

何潔1,2，常福厚1Δ

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一醫(yī)院 藥劑科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

目的 采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法研究煙毒成分對肺癌易感基因表達(dá)的影響，探索其多成分-多靶點-疾病的相互關(guān)系。方法 針對香煙煙霧的11個主要煙毒成分，依據(jù)PubMed中相關(guān)文獻(xiàn)知識構(gòu)建多成分-基因-疾病網(wǎng)絡(luò)，進而篩選出煙毒成分影響肺癌易感基因表達(dá)的共享基因，采用Cytoscape軟件建立煙毒成分-共享基因-疾病網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)果 網(wǎng)絡(luò)分析表明，11個煙毒成分共影響106個肺癌易感基因，其中有57個肺癌易感基因受到11個煙毒成分中至少2個成分的交互影響。結(jié)論 本文從基因角度闡明煙毒成分與肺癌的關(guān)系，并提示11個煙毒成分對其他疾病易感基因的影響，為今后煙毒成分與肺癌易感基因的關(guān)系更細(xì)化的研究提供了一定的統(tǒng)計學(xué)參考。

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)；煙毒成分；肺癌易感基因

肺癌因其發(fā)現(xiàn)晚、病死率高、預(yù)后差等特點，成為對人類健康威脅最大的惡性腫瘤之一[1]。研究顯示，肺癌的發(fā)生和發(fā)展由多種原因引起，如基因變異、吸煙、環(huán)境污染、職業(yè)暴露、民族差異、飲食習(xí)慣等均為肺癌的致病因素[1-2]，而其中吸煙與肺癌的關(guān)系最為密切[3]。超過80%肺癌的發(fā)生與煙草消費有關(guān)，但吸煙者中只有不到20%最終發(fā)生肺癌，提示肺癌的發(fā)生存在個體易感性的差異[4-5]。

我國是世界上最大的煙草生產(chǎn)國和消費國[6]，且據(jù) IARC 預(yù)測，至 2025 年我國每年因肺癌死亡人數(shù)將達(dá)百萬[7]。

隨著當(dāng)代醫(yī)學(xué)研究的深入，人們已逐漸認(rèn)識到腫瘤是多因素誘導(dǎo)、多基因參與的復(fù)雜性疾病[8]。從分子水平來看，其發(fā)生發(fā)展涉及多基因靶點和多條信號通路，藥物治療亦要通過系統(tǒng)的調(diào)控生物網(wǎng)絡(luò)才能起到理想的效果[9]。在基于“整體論”的腫瘤生物學(xué)預(yù)測和解讀模式下，“網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)”(Network pharmacology)應(yīng)運而生[10]。

過去對香煙煙霧毒性的評價集中在單一毒性成分對人體的致癌作用，對多毒性成分之間的相互作用幾乎沒有研究。已有研究表明，單一化學(xué)物質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)與其在復(fù)雜機制中和多種物質(zhì)聯(lián)合作用時的生物學(xué)效應(yīng)有很大區(qū)別，不同物質(zhì)之間的拮抗、相加、協(xié)同等作用方式影響了單一物質(zhì)獨立作用時的結(jié)果[11]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可從多成分、多靶點、多疾病相互作用的整體性和系統(tǒng)性出發(fā)，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型分析煙毒成分與肺癌易感基因之間的關(guān)系，因此，可以篩選出在煙毒成分影響下與肺癌相關(guān)的基因[12-13]。本研究以煙毒成分為載體，運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法，繪制多成分、多靶點與多種疾病間復(fù)雜網(wǎng)狀關(guān)系圖，為今后研究多煙毒成分之間的相互作用對肺癌易感性的影響提供一定的參考，以及給吸煙聯(lián)合基因多態(tài)性與肺癌易感性關(guān)系的研究提供信息，同時為揭示吸煙通過影響基因致其他疾病的機制提供支撐。

1 方法

1.1 搜索煙毒成分的作用靶點 煙草煙霧中含有約7000余種化學(xué)物質(zhì)，有至少69種為致癌物[6]。1998年，加拿大政府立法修正的Hoffmann名單中的46種煙毒成分得到了醫(yī)學(xué)界和煙草行業(yè)的普遍認(rèn)可[14-15]。根據(jù)國際腫瘤研究機構(gòu)的致癌性評價結(jié)果[16]，該名單中的11種煙毒成分為人體1級致癌物，本文即選擇這11種煙毒成分進行研究。香煙的主流煙霧中包括氣相和粒相2部分，本研究選擇的氣相的煙毒成分有甲醛(Formaldehyde，F(xiàn)A)和苯(Benzene，PhH)，粒相的煙毒成分有苯并(a)芘(Benzo(a)pyrene，B[a]p)，N-亞硝基降煙堿(N'-nitrosonornicotine，NNN)，4-(甲基亞硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone，NNK)，2-氨基萘(2-Amino naphthalene)，4-氨基聯(lián)苯(4-aminobiphenyl, 4-ABP)，砷(Arsenic，As)，鎳(Nickel，Ni)，鉻(Chrome，Cr)，鎘(Cadmium，Cd)。以這些成分和肺癌為關(guān)鍵詞，從PubMed 中檢索出相關(guān)的所有文獻(xiàn)(檢索范圍為2016年9月1日前)，剔除不含靶點信息的文獻(xiàn)，從中提取相關(guān)靶點信息。

由于檢索到的文獻(xiàn)中包含了來源于不同物種的基因信息，且存在命名不規(guī)范等問題，故需先對基因信息進行標(biāo)準(zhǔn)化。本文使用 NCBI 數(shù)據(jù)庫的基因(Gene)搜索功能，通過輸入基因名稱并限定物種為人，將檢索得到的所有基因校正為其官方名稱(Official symbol)，具有多個亞型的基因信息也一并列入。搜索的輸入格式為: (Homo sapiens[organism]) AND protein name [protein full name]。經(jīng)上述數(shù)據(jù)庫檢索和轉(zhuǎn)化操作，獲取與11個煙毒成分相關(guān)的基因信息。

1.2 提取與肺癌有關(guān)基因的相關(guān)影響因素的信息 從人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫(截止到 2016 年 9月 1 日)中，搜索與肺癌相關(guān)的所有基因，用于比對來源于文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)。

1.3 分析煙毒成分-多靶點關(guān)系 采用 Cytoscape 軟件建立肺癌-基因-煙毒成分網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)包括肺癌、基因和煙毒成分3類節(jié)點。節(jié)點間的連接原則為當(dāng)煙毒成分靶點與肺癌相關(guān)靶點相同時，則將煙毒成分與疾病關(guān)聯(lián)起來。通過建立肺癌-基因-煙毒成分、肺癌-基因-肺癌、煙毒成分-基因-煙毒成分、基因-肺癌-基因、基因-煙毒成分-基因5種連接，構(gòu)建起完整的網(wǎng)絡(luò)圖。在此基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)分析，研究11個煙毒成分的多靶點作用及其潛在的致病途徑。

2 結(jié)果

2.1 11個煙毒成分的靶點信息統(tǒng)計 從PubMed文獻(xiàn)檢索的結(jié)果中，除2-氨基萘未檢出相關(guān)文獻(xiàn)，得到10個煙毒成分的作用靶點信息見表1。其中NNK的相關(guān)靶點數(shù)量最多，超過50個；苯并(a)芘和砷的相關(guān)靶點數(shù)在40～50個；NNN、甲醛和4-氨基聯(lián)苯的相關(guān)靶點數(shù)在10個以下。

表1 10個煙毒成分的靶點信息統(tǒng)計

2.2 煙毒成分-相關(guān)基因-其他疾病信息的分析 根據(jù)PubMed中相關(guān)文獻(xiàn)檢索結(jié)果統(tǒng)計，與10個煙毒成分作用于肺癌的相關(guān)基因共106個，其中共享基因57個，每個共享基因均受到2個或以上的煙毒成分的影響。按在煙毒成分影響下共享基因出現(xiàn)的頻次排序，見表2。其中p53基因與10個煙毒成分有關(guān)聯(lián)，ERK、BCL2、AKT1等基因也與5個或以上的煙毒成分有關(guān)聯(lián)。按共享基因相關(guān)疾病的共享基因數(shù)排序，排在前10位的疾病。見表3。在這57個受煙毒成分影響的基因中，57個均是肺癌易感基因，同時也影響其他惡性腫瘤。其中還包括24個心血管疾病易感基因和12個慢性阻塞性肺病易感基因等。

表2 共享基因出現(xiàn)的頻次排序

表3 共享基因相關(guān)疾病與共享基因數(shù)排序

2.3 煙草煙霧中11個毒性成分的多靶點作用研究 采用Cytoscape軟件建立肺癌-基因-煙毒成分網(wǎng)絡(luò)，肺癌與基因及11個煙毒成分間的關(guān)聯(lián)關(guān)系直觀地呈現(xiàn)于圖1。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，肺癌易感基因中有57個基因與11個煙毒成分中的至少2個產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

3 討論

從結(jié)果可知，NNK和苯并(a)芘的相關(guān)靶點較多、文獻(xiàn)數(shù)也較多，但靶點/文獻(xiàn)較低，說明對這2種成分的研究較為集中，且得到的結(jié)果重復(fù)率比較高；N-亞硝基降煙堿、甲醛和4-氨基聯(lián)苯的相關(guān)靶點數(shù)和文獻(xiàn)數(shù)均較少，說明現(xiàn)階段對其關(guān)注較少，可以成為我們今后研究的方向。尤其是2-氨基萘與肺癌易感基因的關(guān)系至今鮮有報道。

此外，實驗結(jié)果表明，除2-氨基萘沒有檢索到相關(guān)文獻(xiàn)信息，其余10種煙毒成分對基因的調(diào)控存在多重的交互作用，涉及多種疾病。有文獻(xiàn)報道：鉻雖然是一種弱誘變劑，但可以提高多環(huán)芳烴綁定在肺組織的p53基因；鎳能夠顯著提高多環(huán)芳烴等其他誘變劑的基因毒性和致癌性；鎘與苯并(a)芘或其他多環(huán)芳烴結(jié)合時可協(xié)同增強細(xì)胞轉(zhuǎn)化；砷和苯并(a)芘可以協(xié)同發(fā)揮細(xì)胞和遺傳毒性，增強致癌作用[17-20]。由圖1可見，苯并(a)芘與4種重金屬均有10個以上的共享基因，結(jié)合已有文獻(xiàn)報道，可初步推斷重金屬增強了苯并(a)芘的毒性。與苯并(a)芘和重金屬聯(lián)合作用關(guān)系比較密切的基因有p53、AKT1、ERK和BCL2，而這些基因又與小細(xì)胞肺癌、銀屑病、慢性阻塞性肺病和消化性潰瘍這幾種疾病密切相關(guān)。苯并(a)芘與NNK有19個共享基因，相關(guān)研究表明：苯并(a)芘與NNK共同作用時表現(xiàn)出協(xié)同致癌作用[21]。從圖1可見，苯并(a)芘與NNK的聯(lián)合作用主要調(diào)控：Rb、p53、MYC、FHIT、BCL2、AKT1、PI3K和COX2基因，這些基因與小細(xì)胞肺癌密切相關(guān)；p21、VEGF、ERK、CASP3、D1與前8個基因的共同作用與心血管疾病相關(guān)；BAX和IL6基因的共同作用顯示出與風(fēng)濕性疾病的密切關(guān)系。

國家衛(wèi)生部于2012年發(fā)布了《中國吸煙危害健康報告》，系統(tǒng)地闡述了吸煙及二手煙暴露對健康危害的相關(guān)問題，從流行病學(xué)的角度闡明了煙草煙霧對惡性腫瘤、呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管系統(tǒng)疾病、生殖系統(tǒng)疾病、糖尿病及其他健康問題產(chǎn)生的影響[6]。從表3可見，在受煙毒成分交互影響的57個肺癌易感基因中，57個基因都與其他惡性腫瘤有關(guān)聯(lián)，其中24個基因與心血管系統(tǒng)疾病關(guān)聯(lián)，14個基因是慢性阻塞性肺病的易感基因，本文結(jié)果可從基因角度為吸煙危害健康這一問題佐證。

本課題組前期研究結(jié)果顯示CYP1A1、CYP1B1、GSTM1、GSTT1和VEGF基因的多態(tài)性和肺癌的易感性相關(guān)[22-24]，從圖1可見，網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果與其一致，可進行相互印證。

通過對肺癌-共享基因-煙毒成分網(wǎng)絡(luò)進行分析發(fā)現(xiàn)，11個煙毒成分均作用于多個靶點，呈現(xiàn)出多成分、多靶點、交互作用的特點。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)為分析肺癌易感性提供了全新的角度，可以通過生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接和關(guān)系來分析網(wǎng)絡(luò)特性，進一步闡述肺癌的發(fā)生機制。煙毒成分影響肺癌的相關(guān)基因和基因相關(guān)疾病并不是隨機的分布在網(wǎng)絡(luò)中，而是具有靶點分布的特點和一定的規(guī)律。這樣，我們可以通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究來尋找和確認(rèn)靶點，對肺癌的發(fā)生機制和易感性研究具有重要的指導(dǎo)意義。本研究通過對肺癌-基因-煙毒成分的分析，為多靶點疾病機制的闡明提供了重要信息，同時表明了吸煙對腫瘤及其他疾病發(fā)生的影響，進一步為肺癌等疾病的防治奠定了理論基礎(chǔ)。

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(編校：吳茜)

A network pharmacology study of the association between cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility

HE Jie1,2, CHANG Fu-hou1Δ

(1.Department of Pharmacy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, China; 2.Department of Pharmacy, First Hospital of Hohhot, Hohhot 010030, China)

ObjectiveTo investigate the effects of the main harmful components in cigarette smoke on the expression of lung cancer susceptibility genes by use of the method of network pharmacology, and to explore the correlations of multiple targets and multiple components and diseases.MethodsLiteratures about the 11 main tobacco toxic ingredients of cigarette smoke were collected from PubMed and the multicomponent-genes-disease network was structured, and then, shared genes which affect the expression of lung cancer susceptibility were screened out.Then use Cytoscape software to construct the multicomponent-shared genes-disease network.ResultsNetwork analysis showed that 11 main harmful components in cigarette smoke influnce 106 lung cancer susceptibility genes, 57 lung cancer susceptibility genes of which were affected by at least 2 of the 11 components.ConclusionFrom the genetic point of view, the relationship of cigarette smoking and lung cancer was elucidated, and the effect of 11 components on the susceptibility genes of other diseases was also explored.This study may provide some statistical references for further detailed research targeting the relationship of cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility.

network pharmacology; cigarette toxic component; lung cancer susceptibility gene

10.3969/j.issn.1005-1678.2016.09.046

國家自然科學(xué)基金項目(81160406,81260499)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2015MS0889)

何潔，女，碩士，藥師，研究方向：生化與分子藥理學(xué)，E-mail：hejie08mail@163.com；常福厚，通信作者，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：生化與分子藥理學(xué)，E-mail：changfh@sina.com。

R734.2

A