雷巧靈,侯旭燦,賈聰敏,李 夢,王 耘
(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院 北京 102488)
乳腺癌是中國常見女性惡性腫瘤之一,在中國每年被診斷為乳腺癌和死于乳腺癌的人數(shù)也在逐年增加[1],闡明乳腺癌的分子生物學(xué)機(jī)制已成為重要的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究之一,但是乳腺癌的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,包括基因突變、遺傳因素、神經(jīng)功能異常等[2]。很多研究認(rèn)為基因突變是乳腺癌發(fā)生的主要特征[3],基因的突變積累會進(jìn)一步影響與乳腺癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的信號通路,包括原癌基因,抑癌基因以及與DNA 損傷與修復(fù)相關(guān)的基因。在乳腺癌的發(fā)生發(fā)展中,癌癥相關(guān)基因的關(guān)系組成一個復(fù)雜的相互調(diào)控的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)過程[4],分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中每個基因或蛋白質(zhì)的變化都可能會直接或者間接影響細(xì)胞周期,增殖和凋亡等生物學(xué)過程。隨著生物信息學(xué)的發(fā)展,積累了大量的基因或蛋白之間的相互調(diào)控數(shù)據(jù),因此從疾病分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)角度對乳腺癌等復(fù)雜疾病進(jìn)行分析有助于進(jìn)一步闡明乳腺癌的發(fā)病機(jī)制。
相較于現(xiàn)代醫(yī)學(xué),中藥治療乳腺癌具有一定優(yōu)勢,但是中藥多成分,多靶點的特點,使其在治療乳腺癌等復(fù)雜疾病上存在作用機(jī)制不清楚等局限性,由于乳腺癌的發(fā)病機(jī)制也十分復(fù)雜,使中藥在治療乳腺癌的過程中所產(chǎn)生的具體作用更加難以明確。
本研究基于數(shù)據(jù)庫收集乳腺癌相關(guān)基因或蛋白質(zhì)調(diào)控信息構(gòu)建乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并利用本實驗室建立的實體語法系統(tǒng)[5-7],結(jié)合乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),化合物及靶點數(shù)據(jù),分別構(gòu)建黃芪、茯苓、白花蛇舌草以及柴胡治療乳腺癌的分子作用網(wǎng)絡(luò)圖,以推斷藥物作用靶點與疾病相關(guān)靶點之間的作用關(guān)系,從而對這4 味中藥進(jìn)行作用機(jī)制研究,為中藥通過組分配伍的新藥開發(fā)提供參考。
DISNOR[8]是一個有關(guān)疾病基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫,主要是利用DisGeNET 的基因-疾病關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),SIGNOR 中標(biāo)注的與疾病基因相關(guān)的交互作用信息和mentha 中蛋白相互作用數(shù)據(jù)生成疾病基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),目前該數(shù)據(jù)庫收集超過3 700 個疾病相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。CIDeR[9]主要是從科學(xué)文獻(xiàn)中提取經(jīng)過實驗驗證的疾病相關(guān)分子之間的相互作用信息的一個人工管理數(shù)據(jù)庫,目前該數(shù)據(jù)庫已通過檢索1 912個出版物,收集了18 813種疾病相關(guān)的相互作用關(guān)系。本研究通過檢索“乳腺癌”等關(guān)鍵詞,并使作用對象為基因或蛋白質(zhì),作用類型為抑制或激活,在DISNOR 和CIDeR 數(shù)據(jù)庫中分別收集了124 及674 條調(diào)控關(guān)系。匯集并去除重復(fù)關(guān)系獲得219個分子,403條調(diào)控關(guān)系,而后在PubMed文獻(xiàn)檢索驗證的基礎(chǔ)下,獲得包含228個分子及498條調(diào)控關(guān)系的乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
中醫(yī)在臨床上治療乳腺癌常用扶正固本法、利水滲濕法、清熱解毒法以及疏肝理氣法的處方治法,其中治療乳腺癌的處方大部分采用四法聯(lián)用[13]。本研究按照中醫(yī)治療乳腺癌的四法治則,并基于臨床上常用中藥為標(biāo)準(zhǔn),選擇了黃芪、茯苓、白花蛇舌草以及柴胡4味中藥。黃芪,臨床上用于補(bǔ)虛的代表藥,明《本草綱目》載有“為補(bǔ)者之長故名”。并且有研究發(fā)現(xiàn)黃芪注射液能有效阻滯乳腺癌MCF-7細(xì)胞的增殖[14]。茯苓屬于利水滲濕常用藥,桂枝茯苓丸為婦人癥瘕之專方,且茯苓酸能抑制MDA-MB-231 細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其凋亡[15]。白花蛇舌草有清熱解毒的功效,有動物實驗證明白花蛇舌草的提取物能抑制乳腺癌的發(fā)展[16]。柴胡可疏肝解郁,中醫(yī)認(rèn)為肝失疏泄為乳腺癌的主要病機(jī),柴胡疏肝散是治療乳腺癌的常用方劑,且有研究證明柴胡疏肝散能顯著提高化療藥物對肺轉(zhuǎn)移乳腺癌的療效[17]。所以本研究最終選擇了這4種代表藥進(jìn)行研究然后通過TcmSP數(shù)據(jù)庫[18]收集每一味中藥的化學(xué)成分。
獲得4 味中藥的全部化學(xué)成分后,以口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)和類藥性(Drug-Like,DL)來篩選中藥的活性成分[19]。OB是表示到達(dá)體循環(huán)的口服施用劑量的未改變藥物的百分比,評價藥物能否發(fā)揮藥效的關(guān)鍵指標(biāo),DL代表中藥成分與已知西藥的相似性,用于估計預(yù)期化合物的“藥物樣”。本研究按TCMSP 建議的篩選標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)B 的篩選標(biāo)和DL 的篩選標(biāo)準(zhǔn)作為活性成分篩選條件。
實體語法系統(tǒng)(entity grammar systems)是一種形式語法系統(tǒng)[6,7],拓展于Chomsky生成語法系統(tǒng),已利用其進(jìn)行多項中藥作用機(jī)制的解析[5,20],具有高效靈活等特點,適用于針對復(fù)雜生物系統(tǒng)的研究。
實體語法系統(tǒng)可以用G=(VN,VT,F,P,S)的數(shù)組形式表示,其中VN代表非末端字符集、VT為末端字符集、F 代表操作子集、P 和S 分別代表規(guī)則集和初始字符。在無需區(qū)別VN與VT時有V=VN∪VT。在本研究中V 代表網(wǎng)絡(luò)中各種類型的節(jié)點,包括中藥、中藥化學(xué)成分、化學(xué)成分作用靶點、疾病相關(guān)靶點等。F代表這些元素之間的關(guān)系,如interaction。P 類似于推理的公式,基于V 和F 所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元實體進(jìn)行推理,如實體1 為(A,B,interaction),實體2 為(B,C,interaction),那么可推出(A,C,interaction)。據(jù)此推斷A對C有間接調(diào)節(jié)作用,且A對C的作用距離為兩實體的作用距離之和。S 則對應(yīng)于系統(tǒng)的初始狀態(tài),本研究中的數(shù)據(jù)應(yīng)用形式draw(A,B,C,D),可描述為源節(jié)點A 和靶點B 的作用方式為C(interaction),且作用距離為D 步,D 步為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間關(guān)系推算的傳遞步數(shù)之和。
將篩選出的活性成分,通過STITCH數(shù)據(jù)庫[21]查找其作用靶點,并利用TTD 數(shù)據(jù)庫[22]收集乳腺癌相關(guān)靶點,以及基于數(shù)據(jù)庫所構(gòu)建的乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),利用實體語法系統(tǒng)構(gòu)建中藥成分作用于乳腺癌相關(guān)靶點的分子作用網(wǎng)絡(luò),通過推斷分子間相關(guān)作用,并利用DAVID對成分作用的疾病相關(guān)靶點進(jìn)行富集分析,然后對所選中藥治療乳腺癌的作用機(jī)制進(jìn)行解析并利用Cytoscape進(jìn)行可視化。
我們利用數(shù)據(jù)庫及文獻(xiàn)檢索收集了228個基因或蛋白質(zhì)及498個調(diào)控關(guān)系。其中發(fā)現(xiàn)有15個節(jié)點與主網(wǎng)絡(luò)無關(guān)聯(lián),提示上述節(jié)點可能對整個網(wǎng)絡(luò)無影響,故剔除。最終構(gòu)建包含213個節(jié)點,486條關(guān)系的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(圖1)。
網(wǎng)絡(luò)涉及多種信號通路,如TP53信號通路、PI3KAKT 信號通路、ATR/ATM 信號通路、WNT 信號通路、TNF 信號通路、mTOR 信號通路以及MAPK 信號通路,這些信號通路在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演重要的角色,如DNA損傷可導(dǎo)致腫瘤的生長[23],DNA損傷的反應(yīng)機(jī)制包括P53 腫瘤抑制因子及ATR/ATM,P53 可通過對Bax與Fas的轉(zhuǎn)錄激活,Bcl2的表達(dá)抑制來促進(jìn)細(xì)胞凋亡[24-27]。ATR/ATM 信號通路在決定細(xì)胞對DNA 損傷信號的反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用,如ATR識別DNA損傷所引起的DNA 單鏈斷裂,并激活CHEK1 以啟動細(xì)胞周期停滯和DNA 復(fù)制抑制,抑制細(xì)胞周期蛋白[28]。而ATM-CHEK2 則是被DNA 雙鏈所激活,從而使細(xì)胞周期停滯[29]。另一方面PI3K/AKT,TGF-beta和TNF-alpha信號通路與細(xì)胞的生長或死亡相關(guān)。TGF-beta 以抗增殖作用而聞名,在很多晚期腫瘤中,TGF-beta 信號從抑制細(xì)胞增殖轉(zhuǎn)向激活細(xì)胞程序,這種變化被稱為上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT),一旦發(fā)生這種轉(zhuǎn)變,就會賦予惡性腫瘤有關(guān)的癌細(xì)胞特征[30]。PI3K/AKT/mTOR信號通路則是通過生存信號的刺激來阻斷細(xì)胞凋亡,當(dāng)生存信號不足,PI3K 信號通路下調(diào),即可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[31]。Wnt 通路調(diào)控細(xì)胞的粘附和遷移[32]。所構(gòu)建的乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)包括核心信號網(wǎng)絡(luò),因此足夠用于研究復(fù)雜的生物過程。
筆者對4味中藥及通過口服生物利用度及類藥性進(jìn)行篩選的活性成分進(jìn)行了統(tǒng)計(表1)。由結(jié)果可得通過篩選,黃芪所得活性成分有20種,茯苓為15種、白花蛇舌草為7種、柴胡有17種,其中黃芪、白花蛇舌草、柴胡共有的抗腫瘤成分為槲皮素,山奈酚等,茯苓的抗腫瘤成分為茯苓酸等。
2.3.1 4 味中藥有效成分作用靶點與乳腺癌相關(guān)基因的作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)
本研究利用實體語法系統(tǒng)對所篩選出的活性成分進(jìn)行作用機(jī)理解析。從中藥化學(xué)成分對乳腺癌相關(guān)基因作用的角度分析這些中藥治療乳腺癌的方式。篩選的中藥化學(xué)成分對乳腺癌相關(guān)基因的分子作用網(wǎng)絡(luò)圖(圖2),其中A、B、C、D 分別是黃芪、茯苓、白花蛇舌草以及柴胡中的活性成分通過一步或多步對乳腺癌相關(guān)基因的調(diào)控。其中不同的節(jié)點形狀代表不同的類型。
圖1 乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖
表1 中藥及活性成分統(tǒng)計表
分析結(jié)果可知,黃芪中有16個成分經(jīng)過多步作用最終作用于15 個乳腺癌相關(guān)靶點,其中ESR1、AR、PGR、CA2、HSP90AA1、PIK3CG、KDR、INSR、BCL2、PLAU、EGFR 為黃芪中化學(xué)成分的直接作用靶點。茯苓所含的13個化學(xué)成分會作用于乳腺癌相關(guān)靶點,其中AR、PGR、ESR1、CA2 為直接作用靶點。白花蛇舌草中6個化學(xué)成分經(jīng)過多步作用最終作用于14個乳腺癌相關(guān)靶點,其中AR、PGR、ESR1、CA2、HSP90AA1、PIK3CG、PLAU、EGFR、INSR、BCL2 為直接作用靶點。柴胡中所含的13 個化學(xué)成分經(jīng)過多步作用最終作用于14 個乳腺癌相關(guān)靶點,而AR、PGR、ESR1、CA2、HSP90AA1、PIK3CG、PLAU、EGFR、INSR、BCL2為直接作用靶點。4 味中藥作用最終作用于乳腺癌相關(guān)靶點結(jié)果如表2 所示,表中所標(biāo)記靶點為中藥直接作用靶點。
由此結(jié)果可知4味中藥聯(lián)合使用則最終都會作用于ESR1、AR、BCL2、PGR、ERBB2、SRC、PIK3CA、CA2、EGFR、HSP90AA1、PIK3CG、KDR、INSR、PLAU、TFF1 15 個乳腺癌相關(guān)靶點。對這些疾病靶點進(jìn)行富集分析表3所示,基因富集到“示,基因富信號通路”、“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”以及“細(xì)胞增殖的正調(diào)節(jié)”、“細(xì)胞遷移的正調(diào)節(jié)”等與腫瘤發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系的功能,也可以得知這4 味中藥是通過多種化學(xué)成分經(jīng)過多靶點、多途徑最終作用于多個疾病靶點來達(dá)到治療乳腺癌的目的。
2.3.2 4味中藥作用于乳腺癌子網(wǎng)絡(luò)分析
由于整體網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜,因此文章將通過提取子網(wǎng)絡(luò)的方法對藥物成分作用靶點與疾病靶點間的關(guān)系進(jìn)行解析。由于黃芪、白花蛇舌草以及柴胡都含有槲皮素這一成分,黃芪和柴胡都含有山奈酚,且這兩成分都被證明具有抗腫瘤作用[33,34],茯苓中的茯苓酸被證明有抗腫瘤的作用[15],故對槲皮素、山奈酚、以及茯苓酸治療乳腺癌的作用機(jī)制進(jìn)行解析,所提取的槲皮素、山奈酚、茯苓酸通過疾病靶點作用于乳腺癌的通路(圖3A、圖3B、圖3C)。
PTGS2 編碼COX-2 酶,其參與癌癥的發(fā)生,抑制免疫應(yīng)答以及細(xì)胞凋亡,可能促進(jìn)血管生成和腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移,缺氧或者炎癥因子等因素會促進(jìn)PTGS2的表達(dá)[35]。TNF,即腫瘤壞死因子,是一種多功能促炎細(xì)胞因子,在乳腺癌中高表達(dá),并且參與多種生物過程的調(diào)控,包括細(xì)胞增殖,凋亡以及脂質(zhì)代謝等。炎癥在乳腺癌發(fā)病機(jī)理中起主要作用,有研究證明腫瘤壞死因子的腫瘤促進(jìn)功能可能是其具有誘導(dǎo)促血管生成,細(xì)胞黏附分子的表達(dá)以及誘導(dǎo)DNA 損傷的能力[36]。EGFR,是著名的乳腺癌分子靶標(biāo),EGFR 在大部分三陰性乳腺癌和炎性乳腺癌中都過度表達(dá),有研究證明EGFR 的過表達(dá)可促進(jìn)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)[37]。AKT1,也稱為蛋白激酶B(PKB),在人類癌癥中經(jīng)常過度表達(dá),是PI3K 下游的主要效應(yīng)分子,其參與細(xì)胞內(nèi)的代謝,生存和生長等多種生物學(xué)過程。AKT1在乳腺癌進(jìn)展中的特異性作用主要分為兩方面:一是有研究證明下調(diào)AKT1的表達(dá)能明顯促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移能力,二是抑制AKT1 的表達(dá)能顯著抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖[38,39]。
圖2 中藥成分調(diào)節(jié)乳腺癌相關(guān)靶點的生物分子作用網(wǎng)絡(luò)
表2 四味中藥作用于乳腺癌相關(guān)靶點
槲皮素對TNF、PTGS2、EGFR 均有負(fù)向調(diào)控作用[40-42],而TNF被證實有促進(jìn)AKT1表達(dá)的作用[43],在乳腺癌腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞中COX-2 的過表達(dá)會促進(jìn)PI3K/Akt 通路的激活[44]。mTOR是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,其位于PI3K 和Akt 的下游,PI3K/AKT/mTOR 信號通路是腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵介質(zhì),當(dāng)PI3K信號傳導(dǎo)激活A(yù)KT 則會導(dǎo)致mTOR 的活化[45]。而PPP2CA 則是編碼磷酸酶2A 催化亞基。其參與了細(xì)胞生長和分裂的負(fù)調(diào)控。大量研究強(qiáng)調(diào)了PP2A 作為腫瘤抑制因子的作用,并提示PP2A失活可能有助于癌癥的發(fā)展,活化的mTOR可使PP2A磷酸化并抑制其活性[46]。SRC是一種非受體酪氨酸激酶,定位于細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)膜,被發(fā)現(xiàn)在乳腺癌等許多人類腫瘤中過表達(dá),Src的過度表達(dá)在調(diào)節(jié)腫瘤血管生成、細(xì)胞增殖、遷移及侵襲等方面起重要作用,EGFR可通過磷酸化激活SRC[47],而PP2A可以抑制SRC的活性[48]。
表3 疾病靶點富集分析結(jié)果圖
綜上所述,槲皮素具有的抗腫瘤作用一方面可通過抑制PTGS2 或TNF,再經(jīng)由AKT-mTOR-PP2A 途徑達(dá)到抑制乳腺癌靶點SRC 的目的,另一方面槲皮素可抑制EGFR的活性,從而減弱促進(jìn)SRC表達(dá)的能力。
山奈酚對Bcl-2、GSK3B 以及TNF 具有抑制作用[34,49,50],GSK3B(糖原合成激酶3β),對多種惡性腫瘤的發(fā)生、增殖、凋亡等方面起到調(diào)控作用[51]。PTEN 是生長因子信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,而且PTEN 的丟失被證明與乳腺癌有關(guān),另外PTEN 的腫瘤抑制功能獨立于磷酸肌醇脂質(zhì)磷酸酶活性并在細(xì)胞周期調(diào)節(jié),維持基因組不穩(wěn)定性和控制DNA 修復(fù)機(jī)制中起關(guān)鍵作用,其保護(hù)細(xì)胞免于基因突變的累積和不受控制的增殖,PTEN 喪失使這些基因組保護(hù)機(jī)制失調(diào),并且還導(dǎo)致AKT1活化,促進(jìn)腫瘤發(fā)生[52]。GSK3B通過磷酸化PTEN的Ser-362和Thr-366位點而使其磷酸酶活性降低[53]。BCL2 編碼Bcl-2,在Bcl-2 家族起抗調(diào)亡作用,Bcl-2在乳腺癌中過表達(dá),屬于癌基因,其表達(dá)的上調(diào)是生長因子促進(jìn)細(xì)胞存活的關(guān)鍵機(jī)制[54]。目前有針對靶向抑制抗凋亡Bcl-2 的藥物,或者是將其與化合療法聯(lián)用以增加對腫瘤細(xì)胞的殺傷力。另外Akt可以通過磷酸化失活Bad 和通過轉(zhuǎn)錄激活上調(diào)Bcl-2 來促進(jìn)細(xì)胞存活[55]。
所以,根據(jù)對山奈酚作用于乳腺癌相關(guān)靶點Bcl-2的解析可知,一方面通過抑制TNF 及GSK3B,再經(jīng)由PTEN/AKT1 達(dá)到弱化Bcl-2 活性的目的,另一方面山奈酚有直接抑制Bcl-2的作用,通過以上途徑,山奈酚抑制了Bcl-2的表達(dá),以促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞凋亡。
圖3 槲皮素(A)、山奈酚(B)、茯苓酸(C)通過疾病靶點作用于乳腺癌的通路圖
茯苓酸具有的抗腫瘤作用,表現(xiàn)為直接作用于乳腺癌相關(guān)靶點AR 而達(dá)到治療乳腺癌的目的。而AR是一種新興的乳腺癌激素靶點,AR 在60-70%的乳腺腫瘤中表達(dá),有研究證明有大量的ER-/HER2+乳腺腫瘤表達(dá)AR,進(jìn)而刺激腫瘤細(xì)胞的生長,而在此類細(xì)胞中,針對ER信號通路的內(nèi)分泌治療可能無效,故針對AR為靶點是ER-/HER2+乳腺腫瘤的潛在治療方法[56]。
中醫(yī)在臨床上治療乳腺癌的處方大都采用四法聯(lián)用,但中藥治療乳腺癌的機(jī)制復(fù)雜且難以明確。故本研究選擇四法聯(lián)用的代表藥,基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫,并結(jié)合文獻(xiàn)驗證,構(gòu)建乳腺癌分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并按照中藥-中藥化學(xué)成分-化學(xué)成分作用靶點-分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)-疾病相關(guān)靶點這一完整的生物學(xué)過程建立了分子生物網(wǎng)絡(luò),在分子水平上系統(tǒng)解析所篩選的4 味中藥治療乳腺癌的作用機(jī)制。結(jié)果表明,4 味中藥中有48 個化學(xué)成分會直接或間接的作用于15個乳腺癌相關(guān)靶點,從網(wǎng)絡(luò)的總體特征以及針對4味中藥中的抗腫瘤成分作用途徑解析,這4 味中藥都存在一個化學(xué)成分作用于一個疾病相關(guān)靶點的現(xiàn)象。而且可能通過PI3K-Akt信號通路,EGFR 信號通路等多種途徑作用于多個疾病靶點,引起細(xì)胞周期阻滯,抑制細(xì)胞增殖,降低癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移能力以及促進(jìn)細(xì)胞凋亡從而起到治療乳腺癌的作用。
本研究利用生物信息學(xué),并整合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方面的知識,嘗試從分子水平上系統(tǒng)地解析常用于治療乳腺癌的中藥,通過作用乳腺癌相關(guān)靶點從而治療乳腺癌的作用機(jī)制,這為配伍有效成分治療乳腺癌提供了線索和依據(jù),并對藥物研發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。
世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化2019年4期