基于GenePANDA算法的精神分裂癥藥物靶基因預(yù)測

孫 慧，田衛(wèi)東

(復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物統(tǒng)計學(xué)與計算生物學(xué)系，上海 200438)

精神分裂癥(schizophrenia)是一種常見的精神障礙類疾病，影響全球約1%的人群[1].這種疾病表現(xiàn)的癥狀為幻覺、情感淡漠、認知缺陷等[2]，給患者帶來了痛苦，使患者的預(yù)期壽命減少10～20年，大約10%的患者死于自殺[3].患者需要24h看護，可能受到他人的歧視和外界的排斥[4].此外，精神分裂癥給社會帶來了沉重的負擔(dān)，美國每年用于精神分裂癥醫(yī)療等方面的費用達到600億美元[5].所以，精神分裂癥的治療十分關(guān)鍵[1,4].

藥物治療是治療精神分裂癥的主要手段[3].目前，治療精神分裂癥的藥物有多種，如氯丙嗪、氯氮平、利培酮等，主要靶向5-羥色胺、多巴胺、組胺的受體[6]，但是這些藥物仍存在以下問題： (1) 療效差.這些藥物大多只針對一種靶基因，不能改善精神分裂癥的所有癥狀[7].如氯丙嗪只拮抗多巴胺受體，不能改善患者的認知缺陷[8].(2) 藥物不良反應(yīng)嚴重[7].例如，氯氮平會引起患者的白細胞數(shù)量急劇減少[6].(3) 患者容易對藥物產(chǎn)生耐受性[9].如利培酮靶向多巴胺受體，治療一段時間后，無法改善患者的幻覺癥狀和認知障礙[10].Lieberman等[11]的研究表明超過70%的患者會產(chǎn)生耐藥性.綜上所述，迫切需要新型安全有效的藥物治療精神分裂癥，而開發(fā)新藥物的重要環(huán)節(jié)是發(fā)現(xiàn)可用于藥物治療的靶基因[3,6].因此，本研究的目的是預(yù)測精神分裂癥藥物的靶基因.

精神分裂癥藥物已有的靶基因大多和神經(jīng)遞質(zhì)功能相關(guān)，具有相似的作用機制，在功能上緊密相關(guān)[12].我們推測藥物新的靶基因和藥物已知靶基因在生物功能上也具有緊密的聯(lián)系，所以，我們利用網(wǎng)絡(luò)中已知靶基因和其他基因之間的功能關(guān)聯(lián)預(yù)測藥物新的靶基因.之前，我們開發(fā)了一種基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測復(fù)雜疾病基因的算法——GenePANDA[13]，該方法通過計算功能網(wǎng)絡(luò)(STRING)中每個基因到已知疾病基因的相對距離來預(yù)測基因和疾病的相關(guān)性.GenePANDA是一種通用的方法，根據(jù)藥物已知靶基因，GenePANDA也可以用來預(yù)測藥物新的靶基因.此外，疾病通路對疾病的發(fā)生發(fā)展機制十分重要.因此，本研究中我們基于DrugBank中藥物已知的靶基因，結(jié)合GenePANDA的預(yù)測結(jié)果和已知靶基因富集出的通路預(yù)測治療精神分裂癥藥物的新的靶基因.文獻驗證說明預(yù)測得到的靶基因是精神分裂癥藥物靶基因或潛在的精神分裂癥藥物靶基因.此外，我們還在DrugBank中尋找靶向這些基因的藥物，通過文獻探究其用于治療精神分裂癥的可行性.

1.1 已知靶基因收集

DrugBank數(shù)據(jù)庫(http:∥www.drugbank.ca/)收錄了8261種藥物的代謝、吸收、藥理學(xué)、靶基因等多方面的詳細信息，是目前最全面的藥物數(shù)據(jù)庫之一[14].收集已知靶基因流程如下： 首先，在DrugBank數(shù)據(jù)庫中檢索“schizophrenia”，得到治療精神分裂癥的藥物ID號.之后，我們從DrugBank數(shù)據(jù)庫(5.0版)的文本文件中根據(jù)藥物ID號提取了這些藥物的靶基因當做藥物已知靶基因.

1.2 檢驗靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的聚集程度

GenePANDA基于校正網(wǎng)絡(luò)距離預(yù)測靶基因，預(yù)測效果高度依賴于已知靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的聚集程度.聚集程度越高，預(yù)測效果越好[13].為了檢驗已知靶基因的聚集程度，我們首先從GenePANDA校正后的距離網(wǎng)絡(luò)(具體校正方法見2.3部分)中提取所有靶基因及其之間的距離，組成一個靶基因子網(wǎng)絡(luò)，計算這個子網(wǎng)絡(luò)的平均距離.之后，我們從包含19038個基因的校正網(wǎng)絡(luò)中隨機抽取與已知靶基因數(shù)目(181個)相同的基因，計算這些基因構(gòu)成的子網(wǎng)絡(luò)的平均距離，隨機抽取重復(fù)1萬次.最后，我們根據(jù)隨機抽取子網(wǎng)絡(luò)的平均距離構(gòu)成的分布，查看已知靶基因的平均距離是否顯著小于隨機，平均距離越近則代表靶基因在網(wǎng)絡(luò)中越聚集.

1.3 GenePANDA預(yù)測靶基因

和網(wǎng)絡(luò)中隨機挑選的基因相比，候選藥物靶基因與已知靶基因具有更強的功能相關(guān)性，也就是說，在網(wǎng)絡(luò)中候選靶基因比隨機挑選的基因距離已知靶基因更近.我們使用GenePANDA預(yù)測新的藥物靶基因，該方法能夠通過計算STRING網(wǎng)絡(luò)中每個基因到已知靶基因的相對距離來預(yù)測基因和已知靶基因的功能相關(guān)性，相關(guān)性越強的基因越有可能是新的靶基因[13].

通過GenePANDA我們得到19038個基因的排名，排名越靠前的基因，和已知靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的距離越近，即它們之間的功能關(guān)聯(lián)越強，則該基因越有可能是靶基因.最后，我們選取前200名基因，去掉其中的已知靶基因，將剩余的基因作為候選靶基因.

1.4 功能富集分析

疾病特異相關(guān)的生物過程和功能對于疾病的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要，但是STRING是一個綜合了調(diào)控、代謝、共表達等多方面信息的巨大網(wǎng)絡(luò)，GenePANDA基于STRING網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果具有很強的系統(tǒng)性，缺失了和疾病特異相關(guān)的生物過程信息，預(yù)測的基因不一定都是和精神分裂癥特異相關(guān).所以，我們用DAVID(https:∥david.ncifcrf.gov)[15]對已知靶基因進行基因本體(Gene Ontology, GO)和生物過程(Biological Process, BP)[16]富集分析，使用錯誤發(fā)現(xiàn)率(False Discovery Rate, FDR)進行多重檢驗校正[17]，篩選出PFDR校正<5%的通路.將通路中的基因和GenePANDA預(yù)測的候選靶基因取交集，得到最終的靶基因.

1.5 文獻驗證

為了驗證我們預(yù)測的靶基因，我們通過PubMed數(shù)據(jù)庫(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)對預(yù)測結(jié)果進行文獻檢索，并對檢索結(jié)果進行人工驗證，然后根據(jù)驗證結(jié)果對預(yù)測靶基因分類.具體做法如下： 我們首先使用“schizophrenia”和基因symbol名稱兩個關(guān)鍵詞一起檢索，若存在檢索結(jié)果，則該基因和精神分裂癥直接相關(guān)，在檢索結(jié)果中人工查看預(yù)測出的基因是否為精神分裂癥藥物靶基因或者在致病通路中發(fā)揮重要作用.如果基因被文獻報道為精神分裂癥藥物靶基因，則該基因被認為是關(guān)鍵靶基因；如果基因在致病通路中發(fā)揮重要作用，將該基因定義為潛在靶基因.若不存在檢索結(jié)果，則認為這類基因目前沒有文獻報道和精神分裂癥有關(guān)，然后使用“nerve”或“brain”和基因symbol名稱進行檢索，若存在檢索結(jié)果，則在這些結(jié)果中人工查看基因是否為神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)基因，如果是，則該基因可能參與神經(jīng)相關(guān)通路進而和疾病相關(guān)，定義為其他靶基因，否則認為該基因和神經(jīng)系統(tǒng)不相關(guān)，在本研究中不予考慮.

此外，我們還將預(yù)測的關(guān)鍵靶基因、潛在靶基因和其他靶基因輸入STRING[18](https:∥string-db.org)得到其分子作用關(guān)系，使用Cytoscape[19]生成這些分子作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，探究了關(guān)鍵靶基因和潛在、其他靶基因之間的信號傳導(dǎo)調(diào)控關(guān)系.

1.6 預(yù)測結(jié)果的應(yīng)用

對于預(yù)測得到的靶基因，我們在DrugBank中尋找靶向這些基因的藥物，然后在PubMed中以關(guān)鍵詞“schizophrenia”和藥物名稱一起檢索，人工查看檢索結(jié)果，探究藥物用于治療精神分裂癥的研究進展.

2 結(jié)果與分析

2.1 已知靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的聚集情況

在DrugBank檢索“schizophrenia”得到81種藥物，提取出對應(yīng)的靶基因181個.為了檢測靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的聚集程度，我們提取出靶基因子網(wǎng)絡(luò)如圖1(a)所示，并計算了靶基因子網(wǎng)絡(luò)和隨機抽取1萬次子網(wǎng)絡(luò)的平均距離.如圖1(b)中藍色概率密度曲線為隨機子網(wǎng)絡(luò)平均距離的分布，紅色標注為靶基因子網(wǎng)絡(luò)的平均距離為0.7948.圖1(a)表示靶基因在網(wǎng)絡(luò)中緊密相連，具有密切的相關(guān)性，圖1(b)說明和1萬次隨機挑選的子網(wǎng)絡(luò)相比，靶基因子網(wǎng)絡(luò)的平均距離顯著(P<10-4)小于隨機子網(wǎng)絡(luò)的平均距離，這表示網(wǎng)絡(luò)中各個靶基因之間的距離很近，即所有的靶基因在STRING網(wǎng)絡(luò)中是高度聚集的，它們之間具有密切的功能聯(lián)系.而GenePANDA是基于校正的STRING距離網(wǎng)絡(luò)預(yù)測靶基因，預(yù)測效果高度依賴于已知靶基因在網(wǎng)絡(luò)中的聚集程度.聚集程度越高，預(yù)測效果越好[13].

圖1 靶基因子網(wǎng)絡(luò)示意圖及靶基因子網(wǎng)絡(luò)和隨機子網(wǎng)絡(luò)平均距離比較Fig.1 Schematic diagram of target gene sub-network and comparison of mean distance between target gene sub-network and random sub-network(a) 靶基因子網(wǎng)絡(luò)示意圖(靶基因子網(wǎng)絡(luò)由181個點和1816條邊組成);(b) 靶基因子網(wǎng)絡(luò)和隨機子網(wǎng)絡(luò)平均距離比較.藍色的概率密度分布曲線是1萬次隨機子網(wǎng)絡(luò)的平均距離分布情況，紅色標注為靶基因子網(wǎng)絡(luò)的平均距離0.7948.

2.2 GenePANDA預(yù)測靶基因

根據(jù)在DrugBank中得到的181個高度聚集的靶基因，應(yīng)用GenePANDA預(yù)測新的藥物靶基因.校正原始距離后，對于STRING網(wǎng)絡(luò)中的每一個基因，用該基因到網(wǎng)絡(luò)中其他基因的平均距離減去該基因到靶基因的平均距離，得到該基因和靶基因的相關(guān)分數(shù).通過GenePANDA得到19038個基因和已知靶基因的相關(guān)性分數(shù)，按照分數(shù)由高到低排名.圖2(a)為表示GenePANDA預(yù)測效果的準確率召回率圖，曲線下面積(Area Under Curve, AUC)為0.1736，這表示GenePANDA預(yù)測效果良好.對于每一個基因，GenePANDA給出的分數(shù)越高，說明該基因在網(wǎng)絡(luò)中和已知靶基因的距離越近，功能關(guān)聯(lián)性越強，越有可能是新的靶基因.我們選擇排名前200多個基因，去除其中43個已知靶基因，將剩余的157個基因作為候選藥物靶基因.這157個候選藥物靶基因在STRING網(wǎng)絡(luò)中與已知靶基因距離相近，互相之間存在功能聯(lián)系.

圖2 GenePANDA預(yù)測效果、功能富集分析和預(yù)測靶基因?qū)?yīng)藥物情況Fig.2 The prediction performance of GenePANDA, function enrichment and situation of drugs targeting predicted genes(a) GenePANDA預(yù)測效果圖，即準確率召回率曲線，AUC為0.1736；(b) 已知靶基因的GO_BP富集結(jié)果；(c) 15個預(yù)測得到的靶基因?qū)?yīng)的54種藥物的分類.

已知靶基因功能富集出的55個生物通路和功能(圖2(b))對于精神分裂癥的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要，我們將顯著富集的GO_BP所包含的879個基因和GenePANDA預(yù)測的候選靶基因取交集，最終得到48個靶基因(表1).這些靶基因不僅在STRING網(wǎng)絡(luò)中和已知靶基因緊密相關(guān)，而且都在與精神分裂癥特異相關(guān)的通路或生物過程中，具有重要的生物意義.

2.3 功能富集分析

已知靶基因的功能富集分析說明181個靶基因在生物功能上密切相關(guān).由圖2(b)可見，共有55個GO_BP富集結(jié)果.富集結(jié)果主要包括多巴胺通路、谷氨酸通路、G-蛋白受體相關(guān)神經(jīng)傳遞和乙酰膽堿神經(jīng)元過程等，在已有文獻報道中被報道參與精神分裂癥病理學(xué)過程[1,20-22].有多個富集結(jié)果和G蛋白偶聯(lián)受體(G Protein-Coupled Receptor, GPCR)有關(guān)，GPCR是一類膜蛋白受體，在神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達和分布，可以和多種配體如多巴胺、谷氨酸等相結(jié)合，控制神經(jīng)元的興奮性和調(diào)節(jié)突觸神經(jīng)傳遞，在許多生理活動中起著非常重要的作用[22].GPCR是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System, CNS)中神經(jīng)藥物最常見的靶點，常見的抗精神病藥如氟哌啶醇和奧氮平對GPCR具有拮抗作用[12].多巴胺通路過度活躍是精神分裂癥的一個明顯特征[23].多巴胺受體由GPCR介導(dǎo)進行神經(jīng)傳遞，精神分裂癥患者CNS的部分區(qū)域中，多巴胺受體過度活躍，引發(fā)了多巴胺能神經(jīng)元活動異常，造成患者出現(xiàn)幻覺[10].谷氨酸通路也是對神經(jīng)系統(tǒng)和精神分裂癥十分重要的通路，富集結(jié)果中共有9個谷氨酸通路相關(guān).谷氨酸通路由GPCR偶聯(lián)，谷氨酸受體(mGlu)有多種亞型，分布在大腦的多個區(qū)域，具有多變的結(jié)構(gòu)，豐富的功能，每種亞型都有各自的特異性.如mGlu2和mGlu3在突觸前和突觸后表達，與G-蛋白偶聯(lián)，抑制下游的腺苷酸環(huán)化酶[22].谷氨酸通路的異常有助于精神分裂癥的發(fā)生.乙酰膽堿(ACh)是外周神經(jīng)系統(tǒng)和CNS神經(jīng)元活動的有力調(diào)節(jié)因子[21].在細胞水平上，ACh通過毒蕈堿性乙酰膽堿受體和煙堿乙酰膽堿受體的活化，增加類神經(jīng)元的興奮性，比如錐體細胞和樹突狀靶向γ-氨基丁酸能(GABA)中間神經(jīng)元[24].這些生物過程和通路都具有重要的功能，它們的紊亂會導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)傳遞的異常，對神經(jīng)系統(tǒng)的活動產(chǎn)生消極影響，最終導(dǎo)致了精神分裂癥的發(fā)生.

表1 靶基因預(yù)測結(jié)果及文獻驗證

關(guān)鍵靶基因(13個)： 被文獻報道為精神分裂癥藥物靶基因；潛在靶基因(16個)： 被文獻報道為精神分裂癥相關(guān)基因；其他靶基因(19個)： 被文獻報道為神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)基因.

2.4 文獻驗證

對于預(yù)測得到的48個靶基因，經(jīng)過文獻檢索和人工驗證后，29個和精神分裂癥直接相關(guān)，其中13個基因被已有文獻報道為精神分裂癥藥物靶基因，被本研究定義為關(guān)鍵靶基因，剩余16個基因被認為是潛在靶基因；另外19個基因沒有文獻報道它們和精神分裂癥直接相關(guān)，但是和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)，被定義為其他靶基因(表1).關(guān)鍵靶基因是在文獻報道中被認為具有研究價值的精神分裂癥靶基因，這里我們對幾個關(guān)鍵靶基因進行舉例說明.GALR3是甘丙肽三型受體，是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)基因，參與調(diào)節(jié)認知感覺等生理過程.Marcos等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，在精神分裂癥動物模型中，GALR3是與氟哌啶醇療效和副作用相關(guān)的新型靶基因.神經(jīng)肽Y(NPY)和皮層興奮、應(yīng)激反應(yīng)等功能有關(guān)[26]，分布在CNS和外周神經(jīng)系統(tǒng)的有限區(qū)域，使得作用于神經(jīng)肽的藥物能夠發(fā)揮選擇性藥理作用，具有較小的副作用[27].目前針對該藥靶正在開發(fā)的神經(jīng)肽受體調(diào)節(jié)劑配體在精神分裂癥臨床模型中具有良好的效果，并且能夠改善藥物不良反應(yīng)[27].SLC17A6編碼一種谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白，通過釋放的谷氨酸的量調(diào)節(jié)突觸活性[20].Wallen等[28]的研究表明谷氨酸神經(jīng)傳遞通路是多巴胺信號傳導(dǎo)通路的上游，SLC17A6的抑制引起谷氨酸傳遞變慢，導(dǎo)致下游多巴胺結(jié)合位點的顯著減少.已知的精神分裂癥藥物阿立哌唑(Aripiprazole)是多巴胺激動劑，SLC17A6作為阿立哌唑靶基因的上游基因，具有重要的藥靶研究意義.以上的研究說明關(guān)鍵靶基因?qū)τ诰穹至寻Y的發(fā)生發(fā)展十分重要，有的是藥物已知靶基因的上游調(diào)控基因，有的已經(jīng)作為藥物新的靶基因應(yīng)用在動物模型研究中.

潛在靶基因是精神分裂癥相關(guān)基因，雖然現(xiàn)有研究沒有報道這些基因是精神分裂癥藥物的靶基因，但是這類基因在突觸傳遞和神經(jīng)傳導(dǎo)等方面發(fā)揮作用，對疾病的發(fā)生發(fā)展十分重要，是潛在的精神分裂癥藥物靶基因.如DBH編碼多巴胺β-羥化酶，負責(zé)催化多巴胺(DA)轉(zhuǎn)化為去甲腎上腺素，精神分裂癥患者的血漿DBH存在功能障礙，影響了多巴胺通路的正?；顒覽29].研究表明[29]多數(shù)精神分裂癥病藥物通過慢性阻斷多巴胺能傳遞發(fā)揮療效，這使患者血漿的DBH活性升高而出現(xiàn)運動障礙，這種副作用是多種精神分裂癥藥物的主要問題，所以該基因不僅在致病傳導(dǎo)通路中起重要作用，而且對精神分裂癥藥物的安全性十分關(guān)鍵.其他靶基因是指目前沒有其和精神分裂癥直接相關(guān)報道的基因，但這些基因可能是一些抗精神病藥物的靶基因，或者參與疾病相關(guān)通路，未來有可能成為藥物新的靶基因.如NMUR1是神經(jīng)介肽U(NMU)的一種受體，屬于GPCR，主要在外周神經(jīng)系統(tǒng)中表達.NMUR1在肥大細胞中高度表達，促進肥大細胞介導(dǎo)的炎癥，而精神分裂癥患者的血液和腦脊液中具有高水平的炎癥反應(yīng)，這些免疫改變會影響多巴胺能，血清素能，去甲腎上腺素能和谷氨酸能的神經(jīng)傳遞，一些抗炎藥物如環(huán)氧合酶-2抑制劑有利于早期精神分裂癥的治療[30].PTGDR2是前列腺素D2受體，Onaka等[31]的研究表明PTGDR2介導(dǎo)小鼠的抑郁行為.在動物模型中，藥物拉米托班、慢性皮質(zhì)酮通過靶向PTGDR2治療抑郁癥狀.

不僅3類基因?qū)τ诩膊【哂兄匾饬x，而且關(guān)鍵靶基因和潛在、其他靶基因之間存在密切的信號傳導(dǎo)或調(diào)控關(guān)系.如圖3(a)所示，該分子作用網(wǎng)絡(luò)由48個點(13個關(guān)鍵靶基因、16個潛在靶基因、19個其他靶基因)和130條邊組成，每條邊相連的基因具有激活、抑制、催化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等相互作用關(guān)系.網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點度數(shù)是5.42，而STRING網(wǎng)絡(luò)中隨機抽取48個點的期望邊數(shù)為11，說明該分子作用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基因的互作關(guān)系顯著密切[18].網(wǎng)絡(luò)中深紅色連線(關(guān)鍵靶基因和潛在靶基因關(guān)聯(lián))共有37條，淺紅色連線(關(guān)鍵靶基因和其他靶基因關(guān)聯(lián))共有33條，深紅色和淺紅色連線共有70條，占據(jù)總條數(shù)(130條)的比例超過一半，說明關(guān)鍵靶基因和潛在靶基因、其他靶基因之間的關(guān)系密切.網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)最高的兩個基因分別為NPY(35)和SST(31)，這兩個基因都是關(guān)鍵靶基因，我們以這兩個基因為例具體說明關(guān)鍵靶基因和潛在靶基因、其他靶基因之間的關(guān)系.cAMP是最常見的第二信使之一，參與調(diào)節(jié)關(guān)鍵的生理過程如代謝、分泌、基因轉(zhuǎn)錄等[32].在cAMP信號通路(圖3(b))中，位于細胞膜上的GPCR(SSTR1、SSTR2、SSTR5、NPY1R等)通過結(jié)合細胞外的信號分子(如生長激素抑制劑SST、神經(jīng)肽Y(NPY)等)將其轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，激活的GPCR信號促進下游的轉(zhuǎn)導(dǎo)子鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白(G蛋白)的α亞基(Gi)結(jié)合三磷酸鳥苷(GTP)，由于Gi的GTP酶活性低，會將GTP水解為GDP，從而終止信號，使得AC受到抑制，降低了細胞內(nèi)cAMP水平，影響下游信號傳導(dǎo)反應(yīng)[32].

圖3 三類靶基因分子作用網(wǎng)絡(luò)及cAMP信號通路部分示意圖Fig.3 Molecular action network of three types of target genes and partial diagram of cAMP signaling pathway(a) 關(guān)鍵靶基因、潛在靶基因和其他靶基因的分子作用網(wǎng)絡(luò).藍色： 關(guān)鍵靶基因，綠色： 潛在靶基因，粉色： 其他靶基因.線條代表基因間具有分子相互作用關(guān)系，線條越粗說明作用關(guān)系越強.(b) cAMP信號通路部分示意圖.位于細胞膜上的GPCR蛋白質(zhì)(包括SSTR1、SSTR2、SSTR5、NPYR1、HTR1F等)將細胞膜外的激素、神經(jīng)遞質(zhì)和信號分子等轉(zhuǎn)運到細胞膜內(nèi)進行下游相互作用.Ach： 乙酰膽堿；GABA： γ-氨基丁酸能；NPY： 神經(jīng)肽Y；SST： 生長激素抑制素；SCFA： 短鏈脂肪酸；Serotonin： 血清素.GPCR： G蛋白偶聯(lián)受體；SSTR1： 生長激素抑制素受體1；SSTR2： 生長激素抑制素受體2；SSTR5： 生長激素抑制素受體5；NPY1R： 神經(jīng)肽Y受體1；HTR1F： 5-羥色胺受體1F；Gi： G蛋白α亞基；AC： 腺苷酸環(huán)化酶；cAMP： 環(huán)磷酸腺苷.

2.5 預(yù)測靶基因的應(yīng)用

文獻驗證說明我們預(yù)測的靶基因和精神分裂癥有關(guān)，我們認為靶向這些基因的藥物有可能治療精神分裂癥，所以我們在DrugBank中尋找靶向48個預(yù)測基因的藥物，進一步說明我們預(yù)測靶基因的應(yīng)用價值.在48個預(yù)測的靶基因中，有15個基因能找到對應(yīng)的靶向藥物，這些藥物共有54種(表2)，其中一個基因可能被多個藥物靶向，一個藥物也有可能靶向多個基因.通過DrugBank了解這54種藥物所治療的疾病，如圖2(c)所示大多數(shù)藥物和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)[33]，有39種藥物被用于治療癲癇、抑郁等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，另外15種藥物被用于治療過敏、咳嗽、腹瀉等其他疾病.通過進一步人工查看文獻，探究54種藥物被用于治療精神分裂癥的研究進展.我們發(fā)現(xiàn)，在39種神經(jīng)系統(tǒng)藥物中，有15種藥物被研究可用于治療精神分裂癥(圖2(c))，如米安色林本被用于治療抑郁癥，Poyurovsky等[34]的研究發(fā)現(xiàn)該藥可以改善精神分裂癥患者的認知障礙；在15種治療其他疾病的藥物中，有2種藥物被用來研究治療精神分裂癥(圖2(c))，如右美沙芬本被用于治療咳嗽，Lee等[35]的研究表明該藥輔助治療可以改善一些精神分裂癥患者情感淡漠和回避社交的癥狀.綜上，共有17種藥物被研究可用于治療精神分裂癥，在表2中，用*標注出這17種藥物，下面我們以一個例子具體說明.

表2 DrugBank中靶向預(yù)測基因的藥物

*： 已被研究可用于治療精神分裂癥的藥物.

在我們的預(yù)測結(jié)果中，SLC6A1排名第一.通過文獻查閱得知SLC6A1編碼GAT1，GAT1是氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)GABA的轉(zhuǎn)運蛋白，GABA參與調(diào)控單胺能神經(jīng)元通路和多巴胺能活性[36].GABA的傳遞受阻是精神分裂癥患者的一個明顯特征[37].

如圖4(a)所示，位于突觸前膜的GAT1和位于突觸后膜的GABA受體相互競爭結(jié)合GABA，GAT1將大量GABA轉(zhuǎn)運到突觸前膜內(nèi)，抑制了突觸后膜上的GABA受體結(jié)合GABA，阻礙了GABA的傳遞[38-39].DrugBank中唯一靶向SLC6A1的藥物是噻加賓(Tiagabine)，這種藥物目前被批準用于治療癲癇，是SLC6A1的特異性抑制劑.通過文獻檢索查閱，我們了解到噻加賓可能用于治療精神分裂癥的機理.如圖4(b)所示，噻加賓靶向SLC6A1編碼蛋白GAT1，對GAT1高度親和，通過結(jié)合GAT1，噻加賓阻斷了GABA傳遞進突觸前神經(jīng)元，導(dǎo)致更多的GABA在突觸后細胞表面的受體結(jié)合，增強了GABA神經(jīng)傳遞[38].綜上所述，我們認為噻加賓可能被應(yīng)用于精神分裂癥的治療.

圖4 噻加賓靶向SLC6A1編碼蛋白作用機理Fig.4 Mechanism of Tiagabine targeting SLC6A1 encoding proteinGAT1由SLC6A1編碼，是GABA的轉(zhuǎn)運蛋白，位于突觸前膜，GABA受體位于突觸后膜，GAT1和GABA受體相互競爭結(jié)合GABA.(a)藥物噻加賓作用前，GAT1將大量GABA轉(zhuǎn)運到突觸前膜內(nèi)，抑制了突觸后膜上的GABA受體結(jié)合GABA，阻礙了GABA的傳遞.(b)藥物噻加賓結(jié)合GAT1，阻斷了GABA傳遞進突觸前神經(jīng)元，導(dǎo)致更多的GABA在突觸后細胞表面的受體結(jié)合，增強了GABA神經(jīng)傳遞.

3 討 論

精神分裂癥是一種常見的精神障礙疾病，藥物治療是這種病的主要治療手段，現(xiàn)有的精神分裂癥藥物只靶向幾類典型的靶基因，存在療效差、副作用大和耐藥性的問題，所以迫切需要開發(fā)新的藥物來治療精神分裂癥，而發(fā)現(xiàn)藥物新的靶基因是開發(fā)新藥的首要環(huán)節(jié).因此，本研究根據(jù)DrugBank中已知的靶基因，應(yīng)用GenePANDA預(yù)測精神分裂癥候選藥物的靶基因，然后結(jié)合已知靶基因的功能富集結(jié)果，從候選藥物靶基因中篩選出在已知靶基因功能富集結(jié)果中的基因，將這些基因作為最終的預(yù)測結(jié)果.我們共預(yù)測出了48個靶基因.其中，29個和精神分裂癥直接相關(guān)，13個基因被文獻報道為精神分裂癥藥物靶基因.這些基因不僅和已知靶基因在網(wǎng)絡(luò)中距離相近，存在調(diào)控、代謝等關(guān)系，具有緊密的功能相關(guān)性，而且可能參與多個精神分裂癥重要的神經(jīng)通路或生物過程中，如多巴胺通路、谷氨酸通路等，對疾病的病理生理學(xué)產(chǎn)生重要的影響，具有重要的生物意義[6].此外，本研究還應(yīng)用48個預(yù)測靶基因?qū)ふ移湓贒rugBank中對應(yīng)的靶向藥物，共得到了54種藥物，其中17種被報道可用于治療精神分裂癥，進一步說明本研究預(yù)測得到的靶基因?qū)﹂_發(fā)精神分裂癥新型藥物具有指導(dǎo)價值.

在預(yù)測得到的靶基因中，有多個靶基因的編碼蛋白都屬于GPCR，如NMUR1、NMUR2、SSTR4等.GPCR在許多腦區(qū)域和外周組織中表達，可以和多種配體如神經(jīng)遞質(zhì)、激素等結(jié)合，調(diào)控神經(jīng)元的興奮和突觸的神經(jīng)傳遞，在情感、認知、交流等許多生理活動中起著非常重要的作用[40].同時，GPCR在藥物設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，市場上約40%的處方藥物以GPCR為靶點[40].另外，我們注意到一些基因都是同一受體的不同亞型，如甘丙肽(GAL)受體、生長抑素(SST)受體、神經(jīng)肽Y(NPY)受體等，這可能是因為GenePANDA是根據(jù)基因間在STRING網(wǎng)絡(luò)中的距離進行預(yù)測，而這些同一物質(zhì)的不同受體都屬于同一蛋白質(zhì)家族，具有相似的生物功能[41]，在網(wǎng)絡(luò)中距離很近.

通過預(yù)測靶基因找到其在DrugBank中的藥物，我們發(fā)現(xiàn)同一受體的不同亞型傾向于被相同的藥物靶向，如褪黑激素的兩種受體MTNR1B和MTNR1A都被4種相同的藥物靶向.這可能是因為受體的不同亞型具有高度相似的蛋白質(zhì)序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了相同的模式結(jié)構(gòu)，使得藥物能夠結(jié)合到這些結(jié)構(gòu)，進而發(fā)揮作用[41].

GenePANDA應(yīng)用的是基因網(wǎng)絡(luò)信息，這使得其預(yù)測效果依賴于網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，在以后的研究中，我們或許可以在此基礎(chǔ)上加入疾病網(wǎng)絡(luò)信息、藥物網(wǎng)絡(luò)信息等，以便更加精準地預(yù)測精神分裂癥藥物的靶基因.靶基因預(yù)測的一個應(yīng)用方向是幫助新藥的開發(fā)[42]，靶基因的尋找是開發(fā)新藥的首要環(huán)節(jié)，研究人員可以針對預(yù)測的靶基因設(shè)計合成化合物，然后進行相關(guān)實驗，以節(jié)約新藥研發(fā)的時間經(jīng)濟成本[43].如Piyabhan等[44]的研究表明接受PCP治療后的小鼠可以通過增加前額葉皮質(zhì)中SLC17A6的密度來恢復(fù)精神分裂癥的認知缺陷.靶基因預(yù)測的另一個應(yīng)用方向是藥物重定位[42]，通過預(yù)測基因?qū)ふ覍?yīng)的已知靶向藥物，雖然這些靶向藥物原本被用于治療其他疾病，但對它們進行篩選、修飾或許能夠發(fā)現(xiàn)其具有治療精神分裂癥的新用途[45].目前，不論是新藥研發(fā)還是藥物重定位，大多數(shù)研究都只關(guān)注療效、副作用、耐受性某一個方面，而沒有從3個方面進行全面研究，但這一問題會隨著進一步研究而得到解決，如Mutschler等[46]發(fā)現(xiàn)阿戈美拉汀作為一種新型抗抑郁藥物，不僅能明顯改善精神分裂癥的癥狀，而且在大多數(shù)患者中耐受性良好，因此未來應(yīng)該綜合多方面進行全面的研究，為精神分裂癥的治療提供新型、有效、安全的藥物.