孟雪蓮,劉曉娜,張 欣,陳長(zhǎng)蘭
(遼寧大學(xué) 藥學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110036)
蓮子心是《中國(guó)藥典》收錄的草藥,藥用來(lái)源為睡蓮科植物蓮(NelumbonuciferaGaertn)的成熟種子中間的綠色胚芽[1],從蓮子心中分離的活性成分有類黃酮、萜類、類固醇、糖苷和生物堿等,尤其是芐基異喹啉生物堿(BIA)是蓮子心生物堿的主要生物活性成分.現(xiàn)代藥理學(xué)對(duì)蓮子心的研究主要集中在其抗癌、降壓、抗心律失常、抗氧化、抗自由基、抗纖維化、抗糖尿病、神經(jīng)保護(hù)、抗炎等方面[2-6].
阿爾茨海默病(AD)是一種不可逆的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病.AD是全世界癡呆的最常見(jiàn)原因,并且其發(fā)病率隨著人口老齡化而增加.AD的主要病理學(xué)特征是Aβ斑塊的細(xì)胞外聚集和神經(jīng)原纖維纏結(jié)(Neurofibrillary Tangles)的細(xì)胞內(nèi)聚集,導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙[7-10].目前尚無(wú)治愈阿爾茨海默病的方法.
基于系統(tǒng)生物學(xué)理論的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是一門新興學(xué)科,旨在分析生物網(wǎng)絡(luò)并篩選出特別感興趣的節(jié)點(diǎn),以設(shè)計(jì)多靶點(diǎn)藥物分子[11].中醫(yī)的整體理念與新興的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)的關(guān)鍵思想有很多共同點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是最近已應(yīng)用于防治諸如癌癥、AD等復(fù)雜疾病的中醫(yī)藥研究[12].為了預(yù)測(cè)中藥化合物的靶標(biāo)特征和藥理作用,揭示藥物-基因-疾病共模塊關(guān)聯(lián),以高通量方式從中草藥配方中篩選出協(xié)同多化合物,并解釋草藥配方的組合規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)效果,當(dāng)前的研究模式發(fā)生了改變,從“一種靶標(biāo),一種藥物”模式更新為“網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo),多組分”模式,建立了一種新穎的中藥網(wǎng)絡(luò)藥理方法[13-14].這些研究表明,中醫(yī)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法為中醫(yī)從經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)到循證醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化提供了新的研究范式,這將加速中醫(yī)藥物的發(fā)現(xiàn),并改善當(dāng)前的藥物發(fā)現(xiàn)策略[15].因此本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)來(lái)研究蓮子心化學(xué)成分防治阿爾茨海默病的作用機(jī)制,初步探究其抗阿爾茨海默病的藥效物質(zhì)及其潛在的作用靶點(diǎn)和作用通路,為之后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供理論依據(jù).
本研究所用的數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件見(jiàn)表1.
表1 實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件
2.1.1 構(gòu)建蓮子心化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
以“LIAN ZI XIN”“NelumbonuciferaGaertn”為關(guān)鍵詞,在TCMSP[16]、BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫(kù)[17]中檢索蓮子心的化學(xué)成分.以生物利用度(OB)≥30%,類藥性(DL)≥0.18為篩選條件,以便篩選出口服利用度高的化學(xué)成分作為研究對(duì)象[18].利用PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)得到化學(xué)成分的Canonical Smile號(hào),將Canonical Smile號(hào)導(dǎo)入Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫(kù)[19]中,選擇人類(Homo sapiens)作為研究物種,預(yù)測(cè)得到相關(guān)的潛在作用靶點(diǎn),合并多個(gè)化學(xué)成分的搜索結(jié)果,去除重復(fù)項(xiàng),得到蓮子心化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù).
2.1.2 構(gòu)建阿爾茨海默病相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
以阿爾茨海默病常用的英文表達(dá)方式“Alzheimer′s disease”為關(guān)鍵詞在Gene Cards 數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索,查找與阿爾茨海默病相關(guān)的基因,得到阿爾茨海默病的8 718個(gè)相關(guān)潛在基因靶點(diǎn).
2.1.3 構(gòu)建“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
分別將2.1.1構(gòu)建得到的蓮子心生物堿化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與2.1.2構(gòu)建得到的阿爾茨海默病相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到Venny2.1.0軟件中,取兩者交集,得到“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù).
將2.1.3構(gòu)建得到的交集靶點(diǎn)導(dǎo)入String 數(shù)據(jù)庫(kù),選取人類(Homo sapiens)為研究物種,設(shè)置置信度為0.95,以確保數(shù)據(jù)的可靠性,保存結(jié)果.將結(jié)果中的node 1、node 2以及結(jié)合分?jǐn)?shù)(Combined score)等信息導(dǎo)入到Cytoscape 3.7.2軟件中構(gòu)建蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò).
打開(kāi)DAVID數(shù)據(jù)庫(kù),選擇6.7版本,將2.1.3得到的交集靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)中,選擇Identifier為Office gene symbol,選擇List Type為Gene list,選取人類(Homo sapiens)為研究物種,選擇Pathways下的KEGG_PATHWAY進(jìn)行KEGG分析,設(shè)置閾值P<0.05,篩選排名靠前的通路,利用Omishare Tools 對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理.
在KEGG分析中,篩選具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)的通路,得到關(guān)鍵核心靶標(biāo)參與的關(guān)鍵通路,將上述蓮子心的化學(xué)成分、“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)、通路分析、阿爾茨海默病在Excel中分別建立成分-靶點(diǎn)、靶點(diǎn)-通路、通路-疾病之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,導(dǎo)入到Cytoscape 3.7.2中,構(gòu)建“藥物成分-交集靶點(diǎn)-作用通路”網(wǎng)絡(luò)圖.
3.1.1 構(gòu)建蓮子心化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
將篩選后得到的蓮子心中13種化學(xué)成分(圖1)的Canonical Smile號(hào)導(dǎo)入Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫(kù)中,選擇人類(Homo sapiens)作為研究物種,預(yù)測(cè)得到相關(guān)的潛在作用靶點(diǎn).將13種化學(xué)成分的相關(guān)潛在作用靶點(diǎn)合并,去重復(fù)后最終得到95個(gè)蓮子心化學(xué)成分相關(guān)潛在作用靶點(diǎn).對(duì)“13種活性化合物-化合物靶標(biāo)”網(wǎng)絡(luò)的總體特征進(jìn)行分析(圖2),發(fā)現(xiàn)13種活性成分既存在一個(gè)化合物與多個(gè)靶蛋白結(jié)合的作用,也存在多個(gè)化合物與同一個(gè)靶蛋白相互作用的現(xiàn)象,表明蓮子心抗阿爾茨海默病作用存在多活性成分、多靶標(biāo)的作用特點(diǎn).
圖1 蓮子心中篩選出的13種化學(xué)成分
圖2 “13種活性化合物-化合物靶標(biāo)”網(wǎng)絡(luò)
3.1.2 構(gòu)建阿爾茨海默病相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
以阿爾茨海默病常用的英文表達(dá)方式“Alzheimer′s disease”為關(guān)鍵詞在Gene Cards 數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索,查找與阿爾茨海默病相關(guān)的基因,得到阿爾茨海默病的8 718個(gè)相關(guān)潛在基因靶點(diǎn)(圖3).
3.1.3 構(gòu)建“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)
分別將3.1.1構(gòu)建得到的蓮子心生物堿化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與3.1.2構(gòu)建得到的阿爾茨海默病相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到Venny2.1.0軟件中,取兩者交集,得到“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)(圖3).分析發(fā)現(xiàn),13種藥物成分相關(guān)靶點(diǎn)(95個(gè)靶點(diǎn))與阿爾茨海默病相關(guān)靶點(diǎn)(8 718個(gè)靶點(diǎn))之間有73個(gè)交集靶點(diǎn).
圖3 13種藥物成分相關(guān)靶點(diǎn)與阿爾茨海默病疾病相關(guān)靶點(diǎn)的交集靶點(diǎn)數(shù)
將73個(gè)“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)輸入到String數(shù)據(jù)庫(kù)中,選取物種為人類(Homo sapiens),篩選置信區(qū)間大于0.95的靶點(diǎn),得到23個(gè)“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)之間的蛋白相互作用信息.將String數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出的靶點(diǎn)蛋白相互作用關(guān)系數(shù)據(jù)(node1、node2、combined score)導(dǎo)入到Cytoscape 3.7.2軟件中構(gòu)建蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)圖(圖4),同時(shí)利用Cytoscape3.7.2軟件的內(nèi)置插件Network Analyzer plugin進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)分析計(jì)算.結(jié)果表明,GRM2(代謝性谷氨酸受體2)、HDAC1(組蛋白去乙酰酶1)、CHRNB4(神經(jīng)乙酰膽堿受體β4)、CHRNB2(神經(jīng)乙酰膽堿受體β2)為度值排名前4的靶點(diǎn)蛋白,為4個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn).
……圖4 “藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)圖
將73個(gè)“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn)輸入到DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行KEGG通路富集分析.通過(guò)KEGG分析富集到蓮子心13種化學(xué)成分與50個(gè)關(guān)鍵核心靶標(biāo)相關(guān),這50個(gè)靶點(diǎn)相關(guān)的基因通路共20條,其中,具有顯著意義的(P<0.01)有11條通路(表2).將KEGG信號(hào)通路按P值進(jìn)行排序,繪制氣泡圖(圖5).由表2和圖5可見(jiàn),蓮子心中13種關(guān)鍵化學(xué)成分抗阿爾茨海默病的潛在作用途徑主要包括神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路、5-羥色胺能突觸信號(hào)通路、鈣離子信號(hào)通路等.其中“神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路”涉及的化合物作用靶標(biāo)最多(30個(gè)),該通路可能為蓮子心活性成分抗阿爾茨海默病作用的關(guān)鍵通路.
表2 蓮子心化學(xué)成分防治阿爾茨海默病作用靶點(diǎn)的KEGG通路分析
圖5 蓮子心化學(xué)成分防治阿爾茨海默病作用靶點(diǎn)的KEGG富集氣泡圖
在KEGG分析中,共得到20條通路,選取其中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的(P<0.01)通路,最終得到13個(gè)活性化合物與50個(gè)關(guān)鍵核心靶標(biāo)相關(guān),參與的關(guān)鍵通路11條.
利用Cytoscape 3.7.2軟件構(gòu)建了“藥物成分-交集靶點(diǎn)-作用通路”網(wǎng)絡(luò)模型圖(圖6)并用Cytoscape 3.7.2軟件中的內(nèi)置插件Network Analyzer進(jìn)行分析(表3).該網(wǎng)絡(luò)中有75個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括1個(gè)藥材、13個(gè)化學(xué)成分、50個(gè)交集靶點(diǎn)、11條通路和1個(gè)疾病)和282條邊.圖中八邊形代表阿爾茨海默病疾病,三角形代表作用通路,橢圓形代表“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn),四邊形代表蓮子心中的化學(xué)成分,度值(Degree)越大表明與之相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中調(diào)控作用越大.結(jié)果表明,度值較大的化學(xué)成分有C9(甲基蓮心堿,17)、C6(蓮心堿,17)、C5(異蓮心堿,16)等.度值較大的靶點(diǎn)蛋白有DRD1(多巴胺受體D1)、DRD2(多巴胺受體D2)、DRD5(多巴胺受體D5)等,可能是蓮子心干預(yù)阿爾茨海默病的作用靶點(diǎn).這些靶點(diǎn)涉及的通路有Neuroactive ligand-receptor interaction(神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路)、Calcium signaling pathway(鈣離子信號(hào)通路)、Dopaminergic synapse(多巴胺神經(jīng)突觸通路)、Alcoholism(酒精依賴代謝通路)、cAMP signaling pathway(cAMP信號(hào)通路)等.所有的信號(hào)通路中神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路涉及的靶標(biāo)最多,該通路與50個(gè)關(guān)鍵核心靶標(biāo)中的30個(gè)靶標(biāo)相關(guān).通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)CHRNA1(神經(jīng)乙酰膽堿受體α1)、CHRNA2(神經(jīng)乙酰膽堿受體α2)、CHRNA3(神經(jīng)乙酰膽堿受體α3)、CHRNB4(神經(jīng)乙酰膽堿受體β4)、CHRNA7(神經(jīng)乙酰膽堿受體α7)僅與蓮子心中的雙芐基異喹啉類生物堿如C5、C6、C9相互作用.而靶點(diǎn)DRD1、DRD2可以與蓮子心中的大多數(shù)化學(xué)成分相互作用.
圖6 “藥物成分-交集靶點(diǎn)-作用通路”網(wǎng)絡(luò)模型圖
表3(續(xù)表)
中醫(yī)是中華文化中最偉大的寶藏之一,在東亞和東南亞有著悠久的歷史,自古以來(lái)就被廣泛使用.傳統(tǒng)上,大多數(shù)新藥的發(fā)現(xiàn)都集中在識(shí)別或設(shè)計(jì)與單個(gè)靶標(biāo)特異性相互作用的藥物上,但是,作用于單個(gè)分子靶標(biāo)的藥物通常在治療某些疾病(例如糖尿病,炎癥和癌癥)時(shí)效果不令人滿意[20].鑒于藥物研發(fā)的瓶頸,藥物研究與開(kāi)發(fā)已逐漸從“單一目標(biāo),單一藥物”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)目標(biāo),多成分治療”模式[21-22].網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法已用于研究“蛋白/基因-疾病”途徑,該途徑能夠從網(wǎng)絡(luò)角度描述生物系統(tǒng)、藥物和疾病之間的復(fù)雜性,并具有與中醫(yī)相似的整體哲學(xué)觀念[12,23].中醫(yī)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)開(kāi)創(chuàng)了一種新的研究范式,旨在將中醫(yī)藥從基于經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谧C據(jù)的醫(yī)學(xué).
本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)對(duì)蓮子心的化學(xué)成分干預(yù)阿爾茨海默病的作用機(jī)制進(jìn)行研討,以期發(fā)現(xiàn)蓮子心中的活性成分及其潛在的抗阿爾茨海默病作用靶點(diǎn)及作用通路.采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法,篩選得到蓮子心的13種主要活性成分,并預(yù)測(cè)得到上述藥物化學(xué)成分的潛在作用靶點(diǎn)95個(gè);在這95個(gè)潛在作用靶點(diǎn)中,與阿爾茨海默病相關(guān)的交集靶點(diǎn)有73個(gè),即“藥物成分-疾病”交集靶點(diǎn);進(jìn)一步的分析表明,蓮子心這13個(gè)活性化合物與50個(gè)阿爾茨海默病關(guān)鍵核心靶標(biāo)相關(guān),并參與關(guān)鍵信號(hào)通路11條.分析發(fā)現(xiàn),蓮子心的13種主要活性成分最有可能通過(guò) Neuroactive ligand-receptor interaction(神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路)發(fā)揮抗阿爾茨海默病作用.該通路是質(zhì)膜上所有與細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)通路相關(guān)的受體配體的集合[24],涉及神經(jīng)元乙酰膽堿受體(CHRNA1、CHRNA2、CHRNA3、CHRNA7)、腎上腺素能受體(ADRA1D、ADRA1A)、血清素受體(HTR2A、HTRlB)、多巴胺受體(DRD5、DRD1)等多種配體-受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,與生理節(jié)律、內(nèi)分泌、心血管控制、情緒、學(xué)習(xí)和記憶等功能有關(guān),研究表明,CHRNA7其異常程度與認(rèn)知功能相關(guān)[25];DRD5屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族成員,可能參與獎(jiǎng)賞和強(qiáng)化機(jī)制、認(rèn)知和情感以及運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié);HTRlB基因敲除,小鼠沖動(dòng)、過(guò)激行為增加[26],這與阿爾茨海默病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān).除了該通路以外,蓮子心的13種主要藥效成分還可以通過(guò)5-羥色胺能突觸信號(hào)通路、鈣離子信號(hào)通路、多巴胺能突觸信號(hào)通路等發(fā)揮藥效作用.從構(gòu)建的“藥物成分-交集靶點(diǎn)-作用通路”網(wǎng)絡(luò)的總體特征分析,發(fā)現(xiàn)蓮子心化學(xué)成分抗阿爾茨海默病作用存在多活性成分、多靶標(biāo)以及通過(guò)不同的作用通路發(fā)揮作用的特點(diǎn).
通過(guò)構(gòu)建蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)了GRM2、HDAC1、CHRNB4、CHRNB2為13種蓮子心藥效成分抗阿爾茨海默病作用關(guān)鍵靶點(diǎn)蛋白.CHRNB4、CHRNB2是乙酰膽堿受體,廣泛表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng).病理學(xué)上,阿爾茨海默病相關(guān)腦區(qū)煙堿乙酰膽堿受體的減少和膽堿能神經(jīng)元的丟失是阿爾茨海默病的主要神經(jīng)化學(xué)特征之一,乙酰膽堿介導(dǎo)的神經(jīng)傳遞是神經(jīng)系統(tǒng)功能的重要組成部分.在阿爾茨海默病晚期,膽堿能神經(jīng)元丟失,從而逐漸導(dǎo)致阿爾茨海默病的記憶喪失和認(rèn)知功能下降[27].乙酰膽堿酯酶抑制劑(AChEIs)是一種基于膽堿能假說(shuō)的治療藥物,可以防止乙酰膽堿酯酶的降解,恢復(fù)突觸乙酰膽堿酯酶的活性,改善癥狀.GRM2(代謝型谷氨酸受體2,mGluR2)是一種G-蛋白偶聯(lián)受體,通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)第二信使的產(chǎn)生而導(dǎo)致代謝改變.谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),mGluR2通過(guò)控制釋放興奮性氨基酸谷氨酸來(lái)調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中快速的突觸傳遞[28].谷氨酸能突觸傳遞改變是阿爾茨海默病發(fā)生的關(guān)鍵.組蛋白去乙酰酶(HDACs)是一種去除組蛋白和非組蛋白賴氨酸殘基乙?;拿?HDACs可調(diào)節(jié)許多細(xì)胞過(guò)程,包括轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)重塑和DNA修復(fù).有研究表明,HDAC1是腦內(nèi)的一種OGG1(8-羥基鳥(niǎo)嘌呤糖苷酶)去乙?;?,可能通過(guò)促進(jìn)AP部位切割來(lái)刺激OGG1活動(dòng).研究發(fā)現(xiàn),HDAC1和OGG1與大腦衰老和神經(jīng)退行性疾病中的氧化DNA損傷、神經(jīng)元基因表達(dá)、突觸可塑性和認(rèn)知功能有關(guān),并強(qiáng)調(diào)了藥理HDAC1激活在衰老和神經(jīng)疾病中的治療潛力[29].
從構(gòu)建的“藥物成分-交集靶點(diǎn)-作用通路”網(wǎng)絡(luò)模型分析發(fā)現(xiàn)幾種乙酰膽堿受體靶點(diǎn)(CHRNA1、CHRNA2、CHRNA3、CHRNB4、CHRNA7)僅可與蓮子心的雙芐基異喹啉類生物堿(異蓮心堿、蓮心堿、甲基蓮心堿)相互作用,而多巴胺受體靶點(diǎn)(DRD1、DRD2)可以與蓮子心的大多數(shù)化學(xué)成分相互作用.這表明,蓮子心不同結(jié)構(gòu)類型化學(xué)成分的作用機(jī)制可能存在明顯差異,可為進(jìn)一步研究化合物構(gòu)效關(guān)系、藥效物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制提供思路.