肉桂醛改善糖代謝作用靶點及生物信息學(xué)分析

徐麗華 劉銀河 鐘篇 張海林 王麗麗 鐘泳瀅 趙洪磊

[摘要]目的利用數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建組合網(wǎng)絡(luò)，通過生物信息學(xué)分析獲取肉桂醛改善糖代謝作用靶點。方法首先應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法挖掘出數(shù)據(jù)庫中肉桂醛改善糖代謝作用的32條通路;再基于 R 軟件包“graphite”將數(shù)據(jù)庫中的通路轉(zhuǎn)換為生物網(wǎng)絡(luò)，在線進行富集分析;然后用Cytoscape構(gòu)建代謝組學(xué)與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的組合網(wǎng)絡(luò);最后推測改善糖代謝作用的關(guān)鍵靶點和潛在的關(guān)聯(lián)機制。結(jié)果篩選出10個與肉桂醛改善糖代謝有關(guān)的關(guān)鍵靶點，其中 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2這5個靶點最有可能受肉桂醛調(diào)控。結(jié)論采用網(wǎng)絡(luò)比較和比對方法建立生物通路組合網(wǎng)絡(luò)，分析肉桂醛的候選關(guān)鍵靶點的方法是有效可行的。

[關(guān)鍵詞]肉桂醛;糖代謝;生物途徑;組合網(wǎng)絡(luò)

[中圖分類號] R285? [文獻標(biāo)識碼] A?? [文章編號]2095-0616（2022）07-0057-05

Targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism andbioinformatics analysis

XU LihuaZHONGPianZHANGHailinWANGLihLIU YinheZHONG Yongying?ZHAO Honglei

1. Department of Pharmacy， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;2. Department of Laboratory Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;3. Department of Endocrinology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;4. Department of Traditional Chinese Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;5. Department of Cardiology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;6. Clinical Medicine Research Center， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China

[Abstract] Objective To construct a combinatorial network by data mining and obtain the targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism through bioinformatics analysis. Methods Firstly， 32 pathways of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism in the database were excavated by the network pharmacology method. Then the pathways in the database were transformed into biological networks based on R software package "graphite"， and enrichment analysis was carried out online. Cytoscape was used to construct a combinatorial network of metabonomics and network pharmacology afterwards. Finally， the key targets and potential correlation mechanisms in improving glucose metabolism were speculated. Results Ten key targets related to improving glucose metabolism by cinnamaldehyde were screened， among which IRS-1， AMPK-1， AMPK-2， PRKAB-1 and PRKAB-2 were most likely regulated by cinnamaldehyde. Conclusion It is effective and feasible to establish a combinatorial network of biological pathways by network comparison and comparative method to analyze the candidate key targets of Cinnamaldehyde.

[Key words] Cinnamaldehyde; Glucose metabolism; Biological pathway; Combinatorial network

隨著生活水平的提高，糖代謝異常發(fā)生率較前明顯增高，這不僅降低了人民群眾的生活質(zhì)量，加重了社會經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，如果合并高血壓、高血脂等情況，更容易導(dǎo)致心腦血管不良事件發(fā)生率增加。肉桂是常見中藥之一，改善糖代謝效果顯著[1-2]，明確其主要成分肉桂醛的生物途徑更有助于為糖代謝異常人群防治提供理論參考。本研究通過網(wǎng)絡(luò)比較和基于選定生物通路（pathway）功能水平的對齊方法，評估肉桂醛與糖代謝相關(guān)的生物通路組合網(wǎng)絡(luò)，證明肉桂醛在調(diào)節(jié)糖代謝異常中發(fā)揮作用，通過生物學(xué)分析進一步明確肉桂醛在糖代謝中的作用靶點。

1資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)集獲取

KEGG（http：//www.genome.jp/kegg/pathway. html）和BioCarta（https：//cgap.nci.nih.gov/Pathways/ BioCarta_Pathways）2個數(shù)據(jù)庫是“開源”通路數(shù)據(jù)庫的典型，涵蓋了十多萬個物種基因信息，常用于生物通路挖掘等基礎(chǔ)性研究，可以提供觀察基因相互作用模型。根據(jù)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)背景知識提取37類與糖代謝相關(guān)的疾病，見表1。根據(jù)既往研究結(jié)果[3]，選擇553對 q 值小于0.001的疾病作為對糖代謝數(shù)據(jù)集，通過使用 David 進行的功能富集分析，將這些疾病的所有相關(guān)基因轉(zhuǎn)化為通路[4]。

1.2 肉桂醛生物通路檢索

既往文獻[2，5]說明肉桂醛通過多種生物通路途徑，改善糖代謝，本研究利用肉桂醛一詞通過 PubMed 系統(tǒng)檢索文獻，尋找相關(guān)途徑。

1.3 生物通路相似性檢測

本研究中的 p 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建步驟如下。①網(wǎng)絡(luò)約定：使用 R 軟件包“graphite”提取 KEGG 和生物群中存儲的人類路徑并轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)。②網(wǎng)絡(luò)比較：利用圖形度分布揭示生物網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點與其局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似性（structural similarity， SS）。③網(wǎng)絡(luò)比對：在兩個 AE （after effect）網(wǎng)絡(luò)上，通過比較模擬的擴散核的熵來進行網(wǎng)絡(luò)對齊;使用 R 軟件包“igraph”和“netcom”來執(zhí)行計算。

1.4 組合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

利用肉桂醛生物通路與糖代謝生物通路的共同通路中基因的關(guān)系，構(gòu)建一個新的組合網(wǎng)絡(luò);用 R 軟件包“igraph”計算節(jié)點度（node degree）、節(jié)點介數(shù)（node betweenness）和邊緣介數(shù)（edge? betweeness）。

2結(jié)果

2.1 肉桂醛的生物學(xué)特性及糖代謝相關(guān)途徑

選擇32條肉桂醛相關(guān)途徑，并將其對疾病的影響分為兩組：糖尿病相關(guān)組（包括28條途徑）和高血壓相關(guān)組（包括4條途徑）。使用 David 將 KEGG 和生物群的所有糖代謝相關(guān)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為179個通路，p 值不超過0.05。兩組途徑共有12條共同的生物通路，提示肉桂醛在糖尿病、肥胖、Mets 和 CVD 等不同疾病或疾病階段發(fā)揮了動態(tài)作用。糖代謝相關(guān)數(shù)據(jù)常見通路與糖代謝相關(guān)疾病之間的關(guān)系見表1。

12種常見途徑中有9種與糖代謝相關(guān)，提示肉桂醛在糖代謝的不同方面可能發(fā)揮不同的改善糖代謝作用。其功能如下：①肉桂醛可以通過增加酪氨酸磷酸化水平來增強骨骼肌中的胰島素信號通路[6]。這一階段參與了三種途徑，包括胰島素信號通路（由MetS和 CVD 富集）、酪氨酸代謝（由MetS富集）和酪氨酸激酶信號的芽調(diào)控（由 CVD 富集）。“胰島素信號通路”不僅與糖尿病等代謝綜合征密切相關(guān)，與心血管疾病也密切相關(guān)，這可能是由于胰島素信號通路是調(diào)節(jié)生物體壽命的一個重要途徑[7]。②胰島素分泌受損是糖尿病的病理生理異常之一，胰島素樣生長因子-1（IGF-1）被證明可以抑制胰島素分泌，在糖尿病發(fā)生過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8-9]。肉桂醛可以提高 IGF-1受體及其下游信號分子的磷酸化水平[10]，肉桂醛結(jié)合 IGF-1受體可能導(dǎo)致酪氨酸激酶的激活，從而導(dǎo)致內(nèi)在酪氨酸的自磷酸化，與細(xì)胞增殖，調(diào)節(jié)組織分化，和保護免受凋亡等有關(guān)[11]。③研究提示，胰島素抵抗患者的 cAMP 對胰島素調(diào)節(jié)分泌作用受損[12]，cAMP 信號通路可以被肉桂醛調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出改善糖代謝作用[7]。其他方面，通過組合網(wǎng)絡(luò)的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，血脂代謝和血糖代謝可能有相同的信號通路。AMPK 信號通路通過調(diào)節(jié) mTOR 信號通路和 IGF-1通路參與脂肪細(xì)胞的脂解調(diào)節(jié)過程[13]。

2.2 組合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦?/p>

本研究利用所有的基因和12條共同通路之間的關(guān)系，建立了一個組合網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由335個基因作為節(jié)點，1793個關(guān)系作為邊緣組成。節(jié)點中間度和節(jié)點中間度排在前10位的基因見表2。肉桂醛通過增加 AKT-1（AKT 絲氨酸/蘇氨酸激酶-1）（28）、INSR（胰島素受體）的 mRNA 表達和促進 IRS 1（胰島素受體底物-1）磷酸化，激活 AMPK-1/2（蛋白激酶 amp 激活的催化亞基阿爾法-1/2）來增加胰島素敏感性[14-16]。相反，肉桂醛則降低了胰島素信號通路中包括 IGF-1R 在內(nèi)的胰島素信號通路蛋白編碼基因的表達[17]。

在前10個基因中，有5個被證明受肉桂醛的調(diào)控，包括 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2。其余5個基因可分為兩類：單胺氧化酶（MAOA 和 MAOB）和蛋白激酶 amp 激活的非催化亞基 gamma（PRKAG-1、PRKAG-2和 PRKAG-3），可能屬于肉桂醛的候選靶點。

3討論

肉桂醛是肉桂的主要成分，肉桂具有抗炎、抗氧化、抗糖尿病、抗癌、抗菌等作用[1-2，18-19]。然而，其在心血管疾病和代謝綜合征等疾病中的調(diào)控作用機制尚不清楚。

生物途徑作為分子相互作用、遺傳、細(xì)胞、環(huán)境信息處理和代謝反應(yīng)的整合，經(jīng)常被用于各種復(fù)雜疾病的系統(tǒng)分析，如心血管疾病、糖尿病和癌癥，但基于生物途徑的肉桂醛系統(tǒng)功能分析仍然缺乏[20-24]。本研究設(shè)計了一個新的生物信息學(xué)管道來篩選肉桂醛靶點，利用新的組合網(wǎng)絡(luò)，通過生物學(xué)信息分析，本研究發(fā)現(xiàn)，除了上述結(jié)果中驗證的5個基因受肉桂醛的調(diào)控最為明顯， MAOA、MAOB、PRKAG-1、 PRKAG-2和 PRKAG-3這5個基因也可以被認(rèn)為是潛在的候選靶點。本研究描述了基于疾病或肉桂醛的不同路徑集之間的動態(tài)相互作用，發(fā)現(xiàn)肉桂可能通過調(diào)節(jié)候選靶點參與代謝當(dāng)量和部分心血管疾病的主要過程。一系列的分子事件在生命過程中影響胰島素，這些過程反過來又有利于并加速肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的發(fā)展，這些候選靶點可能在這些過程之間的關(guān)系中發(fā)揮關(guān)鍵作用，如 IRS-1和 IGF-1R 之間的反饋。本研究結(jié)果顯示利用新的組合網(wǎng)絡(luò)進行肉桂醛功能作用的生物信息學(xué)挖掘分析是可行的。

血糖代謝異常和高脂血癥、冠心病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是臨床醫(yī)學(xué)共識[2]。既往研究提示，肉桂醛在心血管疾病和代謝綜合征的治療中發(fā)揮一定作用[1-2]。本研究顯示，肉桂醛可以同時參與代謝性疾病糖尿病和原發(fā)性高血壓病的調(diào)控，其原因可能是肉桂通過調(diào)節(jié)胰島素和胰島素樣生長因子（IGF-1）信號通路改善血糖代謝，而此生物通路是胰島素抵抗的基本關(guān)鍵通路[25];此外，肉桂醛可以通過阻斷 ERK 信號通路來延緩心肌肥厚和纖維化的進展[26-27]，心肌纖維化是血糖血脂異常和高血壓導(dǎo)致心肌病變的最后病理改變;生物信息分析顯示，肉桂醛不僅在糖尿病治療發(fā)揮重要作用，在血脂紊亂和高血壓的治療方面也可能起到一定作用。

本研究所構(gòu)建的組合網(wǎng)絡(luò)可以在基因水平上反映出過程之間復(fù)雜的相互作用。更多類型的測序數(shù)據(jù)覆蓋多種組學(xué)，如病毒基因組，大基因組可能提供更多的機制信息，特別是調(diào)控方向。本研究選擇了多種糖代謝相關(guān)疾病和肉桂醛共有的12條共同通路，構(gòu)建了一個包含共同通路中所有基因的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)，用來分析肉桂醛的關(guān)鍵靶點。中間性基因中有 IRS-1、INS、AKT-1和 INSR 這4個基因被證實受肉桂調(diào)控。與節(jié)點度相比，測量值為“中間度”，反映了基因/基因?qū)蛟诓煌?疾病之間相互作用中的重要性，本研究中發(fā)現(xiàn)，10條中間邊緣中的6條包含至少一個經(jīng)過驗證的肉桂靶點;形成 IRS-1-IGF-1R 邊緣的兩個節(jié)點是肉桂醛靶點，表現(xiàn)為 IRS-1表達上調(diào)，但 IGF-1R 在 miRNA水平上表達下調(diào)，提示肉桂醛靶點之間可能存在復(fù)雜的相互作用。

本研究從功能水平上，選擇肉桂醛、糖代謝相關(guān)疾病的通路，采用網(wǎng)絡(luò)比較和比對方法比較了與糖代謝相關(guān)的生物通路網(wǎng)絡(luò)。本研究構(gòu)建的新的組合網(wǎng)絡(luò)來分析肉桂醛的候選關(guān)鍵靶點的方法是有效可行的，但更精準(zhǔn)的生物通路及靶點需要動物實驗和臨床試驗進一步驗證。

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（收稿日期：2021-10-26）