普元柱,蘇 燦,朱屹韜,肖清青,張霆峰,李恒瑤,周榮毅
1云南中醫(yī)藥大學中藥學院,昆明 650500;2云南省科學技術院,昆明 650051
人口老齡化是當今中國和世界所面臨的一道難題。人口老齡化不僅帶來適齡勞動力減少、國家和家庭的養(yǎng)老負擔增加等問題,還帶來一系列健康問題。研究證實,衰老是心腦血管疾病、糖尿病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病等諸多復雜疾病的危險因素[1]。雖然衰老不可阻止,但可通過熱量限制、基因操作、藥物干預等方式延緩衰老[1]。更重要的是,延緩衰老不僅延長機體壽命,而且明顯改善機體健康狀況。如,在大多數(shù)慢性疾病中,限制食物攝入量可有效降低癥狀嚴重程度;二甲雙胍、雷帕霉素在多個模式生物中顯示能延長壽命,流行病學研究表明人類適量服用二甲雙胍、雷帕霉素可預防許多癌癥的發(fā)生,降低神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率[1]。因此,延緩衰老是降低老年相關疾病發(fā)生率的有效方法之一。
中醫(yī)自古強調(diào)養(yǎng)生保健,不治已病治未病,中醫(yī)藥抗衰老受到越來越多的關注。燈盞細辛Erigeronbreviscapus(Vant.) Hand.-Mazz.是治療心腦血管疾病等老年性疾病的常用中藥,其活性成分主要是黃酮類和咖啡酰類成分。研究發(fā)現(xiàn)黃酮類成分燈盞花素可對抗D-半乳糖誘導的衰老,改善小鼠記憶障礙及肝、腎異常變化,但其作用機制仍不清楚[2,3]。而燈盞細辛中的咖啡酰類成分是否具有抗衰老作用,目前仍未見報道。網(wǎng)絡藥理學是一種基于受體理論和生物網(wǎng)絡技術,整體闡述藥物作用及其作用機制的研究方法。中藥以口服為主,只有入血成分才可能是中藥治病和保健的有效成分。為探析燈盞細辛抗衰老作用機制,為后續(xù)實驗研究提供思路,本研究檢索燈盞細辛口服入血成分,應用網(wǎng)絡藥理學方法整體預測入血成分抗衰老靶點、分析靶點生物功能及作用通路,并以分子對接方法對入血成分與關鍵靶點的結合作用加以驗證。
燈盞細辛入血成分及其結構式檢索數(shù)據(jù)庫:CNKI、萬方、PubMed、Web of Science, PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/);靶點預測/檢索數(shù)據(jù)庫:TCMSP(中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫與分析平臺,http://tcmspw.com/tcmsp.php)、SwissTargetPrediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)、STITCH(http://stitch-beta.embl.de/);蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫:UniProt(https://www.uniprot.org/)、PDB(http://www.rcsb.org /);衰老靶點數(shù)據(jù)庫:HAGR(人類衰老基因組資源庫,https://genomics.senescence.info/);蛋白質(zhì)相互作用分析平臺:STRING(https://string-db.org/);生物信息分析平臺:DAVID6.8(https://david.ncifcrf.gov)及STRING;網(wǎng)絡構建、分析軟件:Cytoscape 3.7.0、Venny 2.1.0 (https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/);分子對接軟件:Discovery Studio 2.5。
以燈盞細辛、Dengzhanxixin、Erigeronbreviscapus、口服入血、oral administration、plasma、absorbed components、藥代動力學、pharmacokinetics、代謝、metabolites、化學成分中英文名稱等為關鍵詞在CNKI、萬方、PubMed、Web of Science等數(shù)據(jù)庫中檢索燈盞細辛口服入血成分。在PubChem數(shù)據(jù)庫查找入血成分的CAS號、SMILES格式文件。將各成分的SMILES分別導入STITCH和SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫預測各入血成分潛在作用靶點,以各成分的CAS號,在TCMSP數(shù)據(jù)庫中查找相應成分的靶點。以上3個數(shù)據(jù)庫得到的靶點合并去重后,即為燈盞細辛口服入血成分潛在作用靶點。從HAGR數(shù)據(jù)庫查找和下載人類衰老相關基因,再從中篩選出在細胞模型中證實可影響細胞衰老和/或在動物模型中證實可影響壽命的基因作為衰老靶點。將燈盞細辛口服入血成分潛在作用靶點與衰老靶點輸入Venny 2.1.0軟件,交集部分即為燈盞細辛抗衰老靶點。將靶點輸入Uniprot數(shù)據(jù)庫,選定物種為“homo sapiens”,得到靶點的相應信息,如Uniprot ID、蛋白名。
將燈盞細辛抗衰老靶點導入DAVID數(shù)據(jù)庫,Select identifier選“official gene symbol”,List type選“gene list”,物種選“homo sapiens”,閾值P< 0.05,對燈盞細辛抗衰老靶點進行gene ontology(GO)分析生物過程(biology process)。采用STRING平臺對燈盞細辛抗衰老靶點進行KEGG通路富集分析,蛋白種屬選“homo sapiens”,閾值P< 0.05,其余參數(shù)均默認。
將燈盞細辛抗衰老靶點上傳到STRING平臺,蛋白種屬選“homo sapiens”,交互作用評分閾值設置為大于0.9,其余參數(shù)均默認,得到靶點蛋白相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡數(shù)據(jù),結果保存為TSV格式并導入Cytoscape 3.7.0軟件構建PPI網(wǎng)絡圖,應用Cytoscape的“Network Analyzer”計算網(wǎng)絡拓撲參數(shù),以靶點在網(wǎng)絡中的度(degree)值篩選燈盞細辛抗衰老關鍵靶點,度值越大,表明與該靶點有相互作用的靶點數(shù)越多,在燈盞細辛抗衰老中的作用越重要,即為燈盞細辛抗衰老關鍵靶點。
采用Cytoscape 3.7.0構建燈盞細辛入血成分-靶點網(wǎng)絡。應用Cytoscape的“Network Analyzer”計算網(wǎng)絡拓撲參數(shù),以入血成分在網(wǎng)絡中的度(degree)值篩選燈盞細辛抗衰老的關鍵成分,度值越大,表明該成分作用靶點數(shù)越多,在燈盞細辛抗衰老中的作用越重要,即為燈盞細辛抗衰老關鍵成分。
選擇燈盞細辛口服入血成分作為配體、PPI網(wǎng)絡中度值較大的前幾個靶點作為受體,應用Discovery Studio 2.5軟件的LibDock模塊進行分子對接。在PubChem數(shù)據(jù)庫下載入血成分3D結構,在PDB數(shù)據(jù)庫下載靶點的蛋白結構,然后導入Discovery Studio軟件,入血成分用CHARMm力場進行能量優(yōu)化,再用“Prepare Ligands”批量處理,保存作為對接配體;蛋白先刪除水分子,加氫,再用“Prepare Protein”處理,保存作為對接受體。原蛋白晶體結構有配體者,以該配體位置為中心擴大一定范圍(設半徑9~12 ?)作為活性結合位點,原蛋白晶體結構無配體者,利用軟件自帶的“Find Sites from Receptor Cavities”尋找受體中可能的活性結合位點。選擇Libdock對接模式,Docking Preferences參數(shù)選擇“User Specified”,在Max Hits to Save參數(shù)中輸入值“10”,其余參數(shù)均默認,進行分子對接。對接完成后,以原配體或相應蛋白晶體的上市藥物與蛋白晶體對接打分(LibDock score)為閾值,得分高于此閾值的入血成分,即認為對該靶標具有潛在活性。為驗證分子對接流程可靠性,原蛋白晶體結構有配體者,將配體抽離后,再按上述方法對接回原結合口袋,然后計算對接后配體的構象與原始晶體結構中配體構象的均方根偏差(RMSD),當RMSD小于2.0時,證明對接方法可靠。
通過文獻檢索和篩選,共檢索到燈盞細辛口服入血成分30個,包括黃酮類成分13個,咖啡酰類成分11個,其他類成分6個(見表1)。
表1 燈盞細辛口服入血成分Table 1 Components absorbed into blood after oral administration of E.breviscapus
續(xù)表1(Continued Tab.1)
從STITCH、SwissTargetPrediction、TCMSP數(shù)據(jù)庫,分別預測、查找到燈盞細辛口服入血成分潛在作用靶點103、590、214個,合并去重后得到燈盞細辛作用靶點777個。從HAGR數(shù)據(jù)庫查找到人類衰老相關基因307個,其中有131個基因在細胞模型中證實可影響細胞衰老和/或在動物模型中證實可影響壽命。將燈盞細辛777個預測靶點和131個衰老基因求交集,得到燈盞細辛抗衰老潛在作用靶點37個(見表2)。
表2 燈盞細辛抗衰老潛在靶點Table 2 Potential anti-aging targets of E.breviscapus
續(xù)表2(Cotninued Tab.2)
37個靶點中,22個靶點在細胞模型中證實可影響細胞衰老。其中,8個靶點其激活/過表達可抑制細胞衰老;14個靶點其激活/過表達可誘導細胞衰老。14個靶點在小鼠(Musmusculus)模型中證實可影響壽命,其中6個為促長壽靶點(pro-longevity targets),其激活/過表達可延長壽命,而抑制其活性/表達則縮短壽命;8個為抗長壽靶點(anti-longevity targets),抑制其活性/表達可延長壽命,激活其活性/表達則縮短壽命。2個靶點AKT1、SIRT1在細胞和小鼠模型中均證實可影響衰老(見圖1)。
圖1 37個靶點對細胞衰老(A)和小鼠壽命(B)的影響Fig.1 The effects of 37 targets on cellular senescence (A) and longevity of Mus musculus (B)
將37個靶點的基因名稱導入DAVID數(shù)據(jù)庫和STRING平臺,分別進行生物過程和通路富集分析。依據(jù)P-value < 0.05篩選出生物過程199個,通路131條,分別選取P-value最小的前20條作圖(見圖2)。如圖所示,生物過程主要涉及RNA聚合酶II啟動子轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控(positive regulation of transcription from RNA polymerase II promoter)、凋亡過程的負調(diào)控(negative regulation of apoptotic process)、細胞對缺氧的反應(cellular response to hypoxia)、復制性衰老(replicative senescence)、細胞衰老(cell aging)等,表明這些生物過程可能是燈盞細辛抗衰老的重要生物過程(見圖2A);通路結果顯示,除涉及衰老相關通路細胞衰老(cellular senescence)、壽命調(diào)節(jié)通路(longevity regulating pathway,longevity regulating pathway-multiple species)外,其他主要涉及的是腫瘤調(diào)節(jié)通路,如腫瘤通路(pathways in cancer)、肝細胞癌(hepatocellular carcinoma)、前列腺癌(prostate cancer)、腫瘤中的微RNA(microRNAs in cancer)、乳腺癌(breast cancer)(見圖2B),說明這些通路可能是燈盞細辛抗衰老的主要信號通路。
圖2 燈盞細辛抗衰老靶點的生物學過程(A)和通路(B)富集分析Fig.2 Biology process (A) and pathway (B) analysis of targets of E.breviscapus anti-aging
依據(jù)STRING平臺中的抗衰老靶點蛋白相互作用數(shù)據(jù),采用Cytoscape軟件構建得到燈盞細辛抗衰老靶點交互作用網(wǎng)絡(見圖3),該網(wǎng)絡包括32個節(jié)點和93條邊。32個節(jié)點為燈盞細辛抗衰老靶點,其余5個靶點ADCY5、KCNA3、EEF1E1、TOP1、MIF,在設定的大于0.9可信度條件下,不存在交互作用。網(wǎng)絡分析顯示,在燈盞細辛抗衰老靶點的PPI網(wǎng)絡中,TP53、AKT1、RB1、HRAS、HDAC1、SIRT1的度值分別為22、16、12、10、10、9,是度值最大的前6個節(jié)點,表明這6個節(jié)點是燈盞細辛抗衰老的關鍵靶點,可能在燈盞細辛抗衰老過程中發(fā)揮重要作用。
圖3 燈盞細辛抗衰老靶點的蛋白相互作用網(wǎng)絡Fig.3 The protein-protein interaction network of targets of E.breviscapus anti-aging注:節(jié)點面積大小代表靶點度值;節(jié)點間邊線粗細代表靶點之間的關系值評分(combine score),評分越高邊線越粗。Note:Area of nodes represents degree value;Thickness of the edge between any two nodes represents combine score between any two targets,the higher the combine score,the thicker the edge.
將燈盞細辛30個入血成分及37個抗衰老靶點導入Cytoscape軟件,得到燈盞細辛入血成分-抗衰老靶點網(wǎng)絡(見圖4)。該網(wǎng)絡共包括67個節(jié)點,200條邊,其中30個節(jié)點為燈盞細辛入血成分,37個節(jié)點為燈盞細辛抗衰老靶點。網(wǎng)絡分析顯示,作用衰老靶點數(shù)在10個以上的入血成分是槲皮素、芹菜素、木犀草素、黃芩素、山柰酚、柚皮素,6個成分作用的靶點數(shù)分別為26、19、15、15、11、11;作用衰老靶點數(shù)在5-9個的入血成分是野黃芩素、山柰酚-3-O-葡萄糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷、燈盞花苷I、東莨菪亭、異莨菪亭、5-CQA、綠原酸、對羥基苯甲酸、原兒茶醛,10個成分作用的靶點數(shù)分別為9、8、8、7、7、6、5、5、5、5;其余14個成分作用衰老靶點數(shù)小于5。6個靶點(IGF1R、INSR、PARP1、CDK1、PTK2、TERT、PRKCD)與10及10個以上燈盞細辛入血成分有相互作用,其余31個靶點與入血成分相互作用數(shù)小于10。該網(wǎng)絡說明燈盞細辛抗衰老是多成分、多靶點作用的結果,相互作用多的成分和靶點可能是燈盞細辛抗衰老的關鍵節(jié)點。
圖4 燈盞細辛入血成分-靶點網(wǎng)絡Fig.4 Absorbed components-targets network of E.breviscapus anti-aging注:黃綠色節(jié)點代表入血成分;淡紅色節(jié)點代表靶點;節(jié)點面積大小代表度值。Note:Yellow-green nodes represent the absorbed components, Light-red nodes represent targets;Area of nodes represents degree value.
采用Discovery Studio 2.5軟件的LibDock模塊,對30個燈盞細辛入血成分與6個關鍵靶點進行分子對接驗證。6個靶點中,TP53(PDBID:5AB9)、AKT1(PDBID:3CQW)、HRAS(PDBID:2UZI)、SIRT1(PDBID:4ZZI)的蛋白晶體結構含有配體,將配體抽離后,再按1.6項下步驟對接回原結合口袋,計算對接后配體的構象與原始晶體結構中配體構象的RMSD值分別為1.2816(TP53)、0.6733(AKT1)、0.9361(HRAS)、0.9585(SIRT1),均小于2.0,說明本研究對接方法可靠。以成分及對應靶點對接打分構建熱圖(見圖5)。如圖所示,所有入血成分均能與6個靶點對接。原配體與TP53、AKT1、HRAS、SIRT1對接打分分別為100.95、83.33、183.404、105.62;上市藥物Romidepsin與HDAC1(PDBID:6Z2J)對接打分為64.71;RB1(PDBID:4ELJ)無原配體,也沒有相應上市藥物,故不做后續(xù)分析。以上述打分為閾值,所有入血成分與HRAS的對接打分均低于閾值,表明30個入血成分與該靶點的結合可能較弱;17個入血成分與TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1結合打分均高于閾值,包括黃酮類成分燈盞甲素、野黃芩苷、芹菜素-7-O-葡萄糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷、山柰酚-3-O-葡萄糖苷、黃芩素、柚皮素、木犀草素,咖啡酰類成分4,5-DCQA、3,4-DCQA、3,5-DCQA、1,3-DCQA、1,5-DCQA、4-CQA、5-CQA、綠原酸、燈盞花苷I;4個入血成分與TP53、AKT1、SIRT1結合打分均高于閾值,分別是槲皮素、野黃芩素、山柰酚、芹菜素。以上分子對接結果表明,黃酮類和咖啡酰類成分是燈盞細辛抗衰老的潛在活性成分,可能通過TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1這些靶點而發(fā)揮抗衰老作用。
圖5 燈盞細辛入血成分與關鍵靶點對接打分熱圖Fig.5 Heatmap for docking score of key targets with absorbed components of E.breviscapus
打分最高的4,5-DCQA與TP53(見圖6A)、野黃芩苷與AKT1(見圖6B)、3,4-DCQA與HDAC1(見圖6C)、3,5-DCQA與SIRT1(見圖6D)的結合模式進行分析,結果顯示結合模式主要是氫鍵、烷基-π鍵(Pi-Alkyl)、碳氫鍵。以黃酮類成分野黃芩苷與AKT1的結合為例,其結構中的羰基和羥基分別與氨基酸殘基GLY159、THR160、PHE161、GLY162、LEU156形成5個氫鍵,黃酮母核3個環(huán)與VAL164(3個)、ALA177、MET281形成5個烷基-π鍵,MET227與B環(huán)形成1個硫-π鍵,糖基與LYS163、GLY162形成2個碳氫鍵。以咖啡酰類成分3,5-DCQA與SIRT1的結合為例,其結構中的羰基和羥基與氨基酸殘基TYR280、HIS363、VAL412、ASN346、ARG446、ASP348形成6個氫鍵,咖啡酰基苯環(huán)分別與ALA262、ILE270形成2個烷基-π鍵、與VAL445形成π-σ鍵,另有陰離子π鍵(HIS363)、碳氫鍵(SER265、ILE347)形成。在結合空腔外圍,PHE273、PHE413、PHE414、LYS203、ASP204在保持口袋的疏水性方面起到了重要的作用。
圖6 燈盞細辛抗衰老靶蛋白-入血成分分子結合模式圖Fig.6 Molecular docking pattern of target protein-absorbed components of E.breviscapus anti-aging
網(wǎng)絡藥理學常以口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%、半衰期(half-life,HL)≥4、類藥性(drug like,DL)≥0.18為條件篩選研究成分。作者發(fā)現(xiàn),燈盞細辛若以該條件篩選成分,其黃酮類主要活性成分野黃芩苷和咖啡酰類成分完全排除在外,這顯然與目前認為這兩類成分是燈盞細辛的主要活性成分的認識不符。中藥以口服為主,口服后吸收入血的成分即有可能是中藥的活性成分。因此,本研究按照血清藥物化學的思路,將燈盞細辛中含有的且有文獻報道口服可吸收入血的成分作為網(wǎng)絡藥理學研究的對象。
本研究檢索到燈盞細辛口服入血成分30個,包括黃酮類成分13個,咖啡酰類成分11個,其他類成分6個,預測作用于37個衰老靶點。這37個靶點主要涉及衰老、腫瘤調(diào)節(jié)等生物過程和通路,這與“腫瘤和衰老密切相關,衰老是腫瘤的最大風險因素”的認識相一致。研究表明,隨著年齡的增長,DNA損傷和突變增多,導致患癌風險升高[18]。另外,衰老引起的循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)改變,也可能導致癌癥發(fā)生率上升[18]。PPI網(wǎng)絡分析顯示,TP53、AKT1、RB1、HRAS、HDAC1、SIRT1是燈盞細辛抗衰老的潛在關鍵靶點。腫瘤蛋白p53(TP53)是一種腫瘤抑制蛋白,其調(diào)控著腫瘤發(fā)生和衰老進程。過表達TP53可誘導細胞衰老,在小鼠體內(nèi)異常激活p53降低了腫瘤發(fā)生率,但也導致小鼠過早的衰老。進一步研究發(fā)現(xiàn),高表達且受到正常調(diào)控的p53在提高機體對腫瘤耐受性的同時,還不會導致過早衰老和壽命縮短現(xiàn)象的發(fā)生[19]。AKT1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,抑制AKT1活性可延長壽命,如Akt1缺陷小鼠(Akt1+/-)雄性壽命延長8%,雌性壽命延長15%[20]。視網(wǎng)膜母細胞瘤基因1(RB1)是一個抑癌基因,在衰老調(diào)節(jié)方面,RB1主要通過抑癌基因p16途徑使細胞發(fā)生衰老[21]。Harvey鼠肉瘤病毒癌基因(HRAS)是RAS致癌基因家族的成員,過表達HRAS可誘導細胞衰老,已證明RAS途徑與胰島素/胰島素樣生長因子一起影響著線蟲的發(fā)育和衰老[22]。組蛋白去乙?;?(HDAC1)在發(fā)育、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細胞周期進程等過程中起著重要的作用。過表達HDAC1可誘導細胞衰老,在果蠅中突變HDAC1的同源體Rpd3延長雄性果蠅壽命33%,延長雌性果蠅壽命52%[23]。SIRT1是一種NAD+依賴的去乙?;福浼せ羁裳泳徦ダ?,促進長壽。在小鼠腦部特異性過表達SIRT1延長雌性壽命16%、雄性壽命9%[24]。因此,燈盞細辛通過作用于這些靶點可起調(diào)節(jié)衰老的作用。
入血成分-靶點網(wǎng)絡分析顯示,黃酮類成分是燈盞細辛抗衰老的重要活性成分;分子對接顯示,黃酮類成分與4個潛在關鍵靶點TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1結合打分高于閾值,進一步提示黃酮類成分是燈盞細辛抗衰老的潛在活性成分。不同的是,網(wǎng)絡分析顯示咖啡酰類成分在燈盞細辛抗衰老的作用中不是關鍵成分,但分子對接顯示,除咖啡酸、阿魏酸外,11個咖啡酰類成分與TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1結合打分均高于閾值,整體甚至高于黃酮類成分。分析原因可能是目前對咖啡酰類成分研究的不多,靶點預測數(shù)據(jù)庫中收錄的與該類成分結構相似的化合物較少或已驗證的有關該類成分靶點的信息較少,所以預測到的靶點數(shù)較少所致。在777個燈盞細辛預測靶點中,13個黃酮類成分平均每個成分預測到的靶點數(shù)是102,而11個咖啡酰類成分平均每個成分預測到的靶點數(shù)僅為26。通過文獻研究,黃酮類和咖啡酰類成分均可能是燈盞細辛抗衰老的主要活性成分,可能通過TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1這些靶點而發(fā)揮抗衰老作用。實際上,這兩類成分,有的經(jīng)壽命實驗證實確有抗衰老的作用,而且有的成分的抗衰老機制與本研究預測結果相一致。線蟲壽命實驗發(fā)現(xiàn),槲皮素、黃芩素、山柰酚、綠原酸、5-CQA、4-CQA、1,3-DCQA、1,5-DCQA分別延長線蟲平均壽命18.0%、45.0%、10%、20.1%、12.1%、15.2%、12.5%、8.0%[25]。其中,文獻證實綠原酸通過抑制AKT1活性而延長線蟲壽命[25],這與本研究中AKT1是燈盞細辛抗衰老的關鍵靶點、綠原酸與AKT1有很好的結合作用的結果相一致。以上這些報道與本研究結果相互佐證,表明本研究結果具有一定的可靠性。因而,研究結果中至今沒有明確的實驗證實有抗衰老作用的成分,可根據(jù)預測結果設計相應實驗加以驗證。
綜上,本研究以燈盞細辛口服吸收入血成分為研究對象,通過網(wǎng)絡藥理學方法分析了燈盞細辛抗衰老的潛在作用靶點及通路,并結合分子對接驗證了這些入血成分與主要潛在作用靶點的結合能力,研究結果表明黃酮類和咖啡酰類成分是燈盞細辛抗衰老的潛在活性成分,可能通過作用于TP53、AKT1、HDAC1、SIRT1這些靶點,進而調(diào)控衰老和腫瘤等相關生物過程和通路而發(fā)揮抗衰老作用,研究結果為后續(xù)實驗驗證提供了思路。