應用生物信息學技術發(fā)現(xiàn)化妝品保濕功效評價潛在新靶點

王福鑫 矯筱蔓 趙志龍 史延通

【摘要】目的：發(fā)現(xiàn)潛在可用于保濕功效評價體外研究新靶點。方法：通過GEO數(shù)據(jù)庫收集正常人體皮膚數(shù)據(jù)和因皮膚保濕功能異常引起的與疾病相關的基因數(shù)據(jù)，利用GEO2R對兩者基因數(shù)據(jù)進行差異分析，得到潛在與皮膚保濕相關的差異基因;再利用STRING關聯(lián)絲聚蛋白基因（Filaggrin，F(xiàn)LG）與其他差異基因，在GeneCards數(shù)據(jù)庫進行GO/KEGG富集分析，并將這些基因的生物學功能與得到的信號通路關聯(lián)，闡釋潛在靶基因的現(xiàn)實意義。結果：與絲聚蛋白基因強相關的基因有FGF1、KLK5和CASP14等。結論：FGF1、KLK5以及CASP14可作為潛在靶點化妝品保濕功效評價體外研究，具有進一步驗證開發(fā)的前景。

【關鍵詞】化妝品;生物信息學;絲聚蛋白;功效評價

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.017

Discovery of Potential New Targets for Moisturizing Efficacy Evaluation of Cosmetics by Bioinformatics

WANG Fu-xin，JIAOXiao-man，ZHAO Zhi-long，SHI Yan-tong

（Liaoning Institute of Drug Control，Shenyang 110036，China）

Abstract：Objective：Aiming to find potential new targets in vitro for moisturizing efficacy evaluation. Methods：Normal human skin gene data and gene data related to diseases caused by abnormal skin moisturizing function were collected through GEO database，the difference analysis between them was analyzed by GEO2R to obtain different genes;STRING was used to associate FLG and differential genes. GO and KEGG enrichment analysis were carried out with GeneCards database. The biological functions of these genes are associated with the obtained signal pathways to explain the practical significance of potential target genes related to skin moisturizing. Results：FGF1，KLK5 and CASP14 genes were strongly related to FLG gene. Conclusion：Potential targets as FGF1 KLK5 and CASP14 are thought to be prospective for the evaluation of moisturizing efficacy of cosmetic study in vitro which are required for further validation and development.

Key words：cosmetic;bioinformatics;Filaggrin;efficacy evaluation

皮膚是人體抵御外界侵襲的第一道屏障。它有助于保護人體免受細菌等有害物質的侵害。皮膚時刻都在更新，這樣可維持屏障的保護功能。然而，各種不利因素會損害皮膚屏障自我維持和修復的能力。皮膚的保濕能力尤為重要。由于皮膚老化或環(huán)境因素導致皮膚角質層增厚，屏障能力減弱，具體表現(xiàn)為：皮膚干燥，易受感染、刺激和過敏，以及其他相關的不良后果，如皮膚病、皮膚癌變等。皮膚需要足夠的水化水平來維持表皮屏障的完整性和正常的功能活動。

支持皮膚水合作用的三個關鍵因素包括：天然保濕因子（Natural Mosterizing Factor，NMF）、皮膚脂質雙層和透明質酸（HA）。三者共同促進、維持表皮和皮下結構的保濕功能，以確保皮膚形成健康的屏障。其中，NMF由一組高效的保濕組分組成，這些組分吸引和結合大氣中的水分，對角質層中的水分保持至關重要。NMF是Filaggrin在角質層淺層轉化的產(chǎn)物，F(xiàn)ilaggrin是一種位于角質層角細胞層的大蛋白，分布于胞漿中（如圖1）。FLG基因翻譯表達的絲聚蛋白前體（Profilaggrin）經(jīng)降解為絲聚蛋白（Filaggrin）。

Filaggrin水解取決于角細胞內的水活性以及外部相對濕度，并且只能在角細胞內的一個狹窄的水活性范圍內發(fā)生，如果暴露在紫外線輻射下會損害Filaggrin，自然降解為NMF的發(fā)生。NMF的成分主要是氨基酸和氨基酸衍生物，如吡咯烷酮竣酸（PCA）、乳酸和尿素。乳酸刺激合成神經(jīng)酰胺，改善預防與干燥相關的癥狀;尿素刺激合成神經(jīng)酰胺和水通道蛋白（Aquaporin 3，AQP3）相關酶的表達。這也側面說明AQP3與Filaggrin間接相關。隨著皮膚保濕機制相關研究的深入，一些對AQP3、透明質酸合成酶等靶點已被大家熟知，挖掘其背后與FLG及其相關的基因，對研究具有保濕功效的化妝品及其原料有十分重要的應用價值。

生物信息學是一門利用計算機技術研究生物系統(tǒng)規(guī)律的學科。隨著生命科學和計算機科學的迅猛發(fā)展，使用信息學技術可在大分子層面理解和組織與生物大分子相關的信息。利用已有臨床公開數(shù)據(jù)，進行收集、分析遺傳數(shù)據(jù)，并利用計算機技術和統(tǒng)計學方法，建立“生物學現(xiàn)象一尋找靶點一關聯(lián)聚類一生物學意義”的研究思路，為探索新的化妝品保濕功效體外評價方法發(fā)現(xiàn)潛在新靶點。

1實驗方法

1.1皮膚數(shù)據(jù)的獲取

利用Gene Expression Omnibus（GEO）數(shù)據(jù)庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/），以 dermatitis、atoptic dermatitis作為關鍵詞檢索皮膚數(shù)據(jù)。按照與皮膚失水相關因素進行篩選，選擇芯片數(shù)據(jù)GSE32924中的樣本進行分析，把選擇的樣本分為兩組：對照組和實驗組（皮膚異常組）。數(shù)據(jù)用Excel軟件進行統(tǒng)計及數(shù)據(jù)轉換。

1.2差異分析

將GSE32924的選擇樣本導入GEO2R差異表達分析軟件（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/geo2r/）進行差異分析，得到的數(shù)據(jù)與FLG相關聯(lián)基因用Excel整理后，利用Prism 9.0軟件進行火山圖和熱圖的分析，得到差異基因若干。

1.3交互網(wǎng)絡的構建

以FLG基因為靶點，在GeneCards（https：//www.genecards.org/）上查詢其已知的關聯(lián)網(wǎng)絡圖，借用STRING分析得到FLG的關聯(lián)網(wǎng)絡。

1.4GO/KEGG通路富集分析

GO富集分析通過GeneCards，得到潛在作用靶點（FLG的交互網(wǎng)絡得到的相關基因）的GO富集結果，明確潛在靶基因所參與調控的生物學過程、細胞構成及分子功能。

2結果

2.1差異基因分析

將GEO收集到的皮膚數(shù)據(jù)經(jīng)過GEO2R差異分析后，按照p值由小到大順序排列，其升高降低的基因見圖2，之后把前45個p值差異顯著的基因列出備選。

2.2交互網(wǎng)絡

由于此前FLG在皮膚水合起到重要作用，因此，采用STRING的交互網(wǎng)絡進行分析，如圖3。

該交互網(wǎng)絡與此前GEO2R的差異分析進行綜合比對，把與皮膚保濕相關的靶基因一起進行熱圖分析后發(fā)現(xiàn)，GEO2R差異分析得到的前45個基因（按p值從小到大排序）與FLG密切相關的基因（取經(jīng)篩選有相關生物學意義的基因：KLK5，F(xiàn)GF1和CASP14）相比，后者的在兩組樣品對比中有較大差異，如圖4。

2.3GO/KEGG通路富集分析

研究使用GeneCards檢索由差異分析及交互網(wǎng)絡得到潛在靶點進行GO富集分析，包括：生物學過程（Biological Process，BP）、細胞構成（Cellular Component，CC）以及分子功能（Molecular Function，MF），以闡釋這些潛在靶點參與生命過程。結果顯示：這些潛在靶點主要通過參與人體多細胞生物發(fā)育（Multicellular Organism Development）、角質形成細胞分化（Keratinocyte Differentiation）、皮膚屏障的建立（Establishment of Skin Barrier）、角質化（Cornification）等生物學過程發(fā)揮作用。在細胞構成方面主要與細胞質（Cytoplasm）有關。分子功能方面主要涉及肽交聯(lián)（Peptide cross-linking）等。由KEGG通路富集分析，獲得FLG及相關靶基因交互關聯(lián)的信號通路10條（見表1）。結果顯示：FLG 及其關聯(lián)的基因對皮膚保濕效果影響顯著的信號通路為肌動蛋白細胞骨架的調節(jié)（Regulation of actin cytoskeleton）、FGFR1 在疾病中的信號轉導（Signaling by FGFR1 in disease）和MAPK信號通路（MAPK signaling pathway）等。

3討論

FGF1被稱為修復之王，它在人體內皮細胞胞質中高選擇性表達。該基因編碼的蛋白質是成纖維細胞生長因子（FGF）家族的成員（見圖5）。FGF家族成員參與多種生物學過程，包括胚胎發(fā)育、細胞生長、形態(tài)發(fā)生、組織修復、腫瘤生長和侵襲等。

現(xiàn)階段對FGF1的研究表明，F(xiàn)GF1具有很強的修復作用。它能主動與傷口附近細胞膜上的特異性受體相結合，從而激活蛋白酶，加快蛋白質的合成，促合皮膚和黏膜創(chuàng)面愈合并減少疤痕收縮和皮膚的畸形增生，快速高效修復受損皮膚。FGF1還可通過提高機體細胞免疫活性，抑制局部炎癥發(fā)生。這對抑制粉刺生長，保護皮膚免受不良環(huán)境因素的損傷十分有益。不僅如此，F(xiàn)GF1還可促進表皮成纖維細胞的分裂，加速合成膠原纖維、彈性纖維和HA等，對改善皮膚細胞萎縮、補充水分效果顯著。FGF1也可促進堵塞或消失的毛細血管內皮細胞新生、皮膚血管網(wǎng)增多、血流增加、增加皮膚營養(yǎng)輸送。組織激肽釋放酶5（Kallikrein 5，KLK5），是絲氨酸蛋白酶的一個亞類，具有多種生理功能（見圖6）。

絲氨酸蛋白酶與Profilaggrin共同存在于顆粒層，由板層顆粒分泌。KLK5在Filaggrin的生成方面起著重要作用。KLK5可水解Profilaggrin生成Filaggrin，進而產(chǎn)生由Filaggrin引發(fā)的皮膚的多種生物學效應。CASP14即Caspase-14，是指CED-3半胱氨酸蛋白酶家族（見圖7）。Caspase-14是表達在表皮層的蛋白酶，負責在表皮上層集中角蛋白和其他蛋白質等形成角質層。Caspase-14可降解Filaggrin為NMF、tUCA、PCA等小分子物質。如果缺失Caspase-14那么人的皮膚會出現(xiàn)角質層缺陷，容易失水，也更容易受到紫外線損傷。

本研究創(chuàng)新性地利用生物信息學為工具，篩選化妝品功效評價體外研究新靶點。后續(xù)研究可繼續(xù)圍繞以上三個靶點進行信號通路及表達水平的體外試驗方案設計及驗證，以構建完整的相關評價方法并開展實際應用，對化妝品其他功效評價研究也可利用生物信息學的方法進行開發(fā)驗證以得到新的靶點。

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