慕娜娜 廖彬彬 李鎮(zhèn) 李吉品 李伊花 王瑩 陳旭冰
摘要: 基于網(wǎng)絡藥理學和分子對接技術(shù),研究地膽草治療潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)的分子機制。根據(jù)文獻調(diào)研確定地膽草的化學成分,利用SwissADME數(shù)據(jù)庫篩選活性成分、SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫預測其作用靶點。通過GeneCards、Disgenet、PharmGKB和TTD數(shù)據(jù)庫獲取UC的相關靶點,并進行拓撲分析,采用Metascape數(shù)據(jù)庫對候選靶點進行GO (gene ontology)功能和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes )生物通路富集分析,最后結(jié)合RCSB PDB數(shù)據(jù)庫及Chemdraw、PyMoL、AutoDock 4.2.6對核心成分和關鍵靶點進行分子對接驗證并進行可視化分析。從地膽草中篩選出34個調(diào)控UC的潛在靶點,對關鍵靶點作GO功能和KEGG通路富集分析,顯示地膽草可能通過對系統(tǒng)過程的調(diào)節(jié)、外部刺激反應的負面調(diào)節(jié)、凋亡信號通路的調(diào)節(jié)以及機械刺激的反應等生物學過程調(diào)節(jié)MAPK3、PIK3CA、STAT3和JAK2等關鍵靶點的表達,從而參與調(diào)控癌癥信號通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、幽門螺旋桿菌感染的上皮細胞信號傳導和鈣信號傳導通路等多個KEGG信號通路,從而達到治療UC的目的。分子對接結(jié)果顯示,各活性成分與關鍵靶點的親和力較好。研究認為地膽草治療UC的作用機制可能與抑制 MAPK3、PIK3CA、STAT3 等靶點的表達,緩解結(jié)腸組織炎癥反應有關。
關鍵詞:地膽草;潰瘍性結(jié)腸炎;網(wǎng)絡藥理學;分子對接
中圖分類號:P41?? 文獻標志碼:A?? 文章編號:1002-4026(2023)06-0048-08
Investigating the mechanism of action of Elephantopus scaber L.
in the treatment of ulcerative colitis based on network
pharmacology and molecular docking
MU Nana,LIAO Binbin,LI Zhen,LI Jipin,LI Yihua,WANG Ying,CHEN Xubing*
(College of Pharmacy, Dali University, Dali 671000, China)
Abstract∶Investigating the molecular mechanism of Elephantopus scaber L. in the treatment of ulcerative colitis (UC) based on network pharmacology and molecular docking techniques. The chemical composition of Elephantopus scaber L. was determined based on literature research, the active ingredients were screened using the SwissADME database, and the targets were predicted by SwissTargetPrediction database. The GeneCards, Disgenet, PharmGKB, and TTD databases were used to obtain the relevant targets for UC, and the topological analysis was performed. The Metascape database was used to perform Gene Ontology (GO) function and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) was used for biological pathway enrichment analysis on the candidate targets. In addition, the RCSB PDB database and Chemdraw, PyMoL, AutoDock 4.2.6 was used for molecular docking validation and visualization of core components and key targets. 34 potential targets were screened out, and GO function and KEGG pathway enrichment analysis were performed on the key targets. The results showed that Elephantopus scaber L. can regulate systemic processes, negatively regulate the response to external stimuli, and regulate apoptosis signaling pathways. MAPK3, PIK3CA, STAT3, and JAK2 are regulated by biological processes such as responses to mechanical stimuli. Therefore it participates in the regulation of various KEGG signaling pathways, such as cancer signaling pathway, PI3K-Akt signaling pathway, NF-κB signaling pathway, Helicobacter pylori infection epithelial cell signaling pathway, calcium signaling pathway, etc. to treat UC.The molecular docking results showed that each active ingredient had good affinity to the key targets. The mechanism of? Elephantopus scaber L. in treating UC may be related to inhibiting the expression of MAPK3, PIK3CA, STAT3 and other targets, and relieving the inflammatory reaction of colon tissue.
Key words∶ Elephantopus scaber L.; ulcerative colitis; network pharmacology; molecular docking
潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)是一種慢性腸道炎癥性疾病,以反復發(fā)作的腹瀉、黏液膿血便、里急后重、腹痛為主要癥狀,其病程長、易反復、預后差,甚至有癌變風險[1],可發(fā)生在任何年齡段,多見于20~40歲[2]。作為消化科的疑難病,我國近年來UC的發(fā)病率持續(xù)增長,復合增長率達9.4%,且中重度患者占比高達83.61%,形勢嚴峻[3]。目前臨床多采用腎上腺皮質(zhì)激素、氨基水楊酸類、生物制劑、免疫抑制劑等藥物治療UC[4],但都存在用藥周期長、不良反應嚴重,且停藥后易復發(fā)的局限性[5-6]。UC在嚴重影響患者生活質(zhì)量的同時,高昂的治療費用也給患者造成了沉重的經(jīng)濟負擔。在歐洲,與UC相關的年度直接和間接治療費用估值高達12.5億~291億歐元,在美國則高達8.1億~149億美元[7]。因此,UC藥物的研發(fā)已成為研究者亟待解決的問題。傳統(tǒng)民族藥在治療慢性病方面有著重要作用,故本文選擇民族藥地膽草,探究其對UC的作用機制。
彝族藥地膽草(Elephantopus scaber L.)是菊科地膽草屬多年生直立草本植物,俗稱苦雞姆,別名地膽頭、草鞋底、鐵燈盞、地苦膽等,生長于我國西南及華南地區(qū)的開曠山坡、山谷林緣、具有一定植被覆蓋度的潮潤地[8]。曾被1977版《中國藥典》收錄[9],現(xiàn)收錄于2010版《廣東省中藥材標準》第二冊[10]。地膽草全草入藥,性寒,味苦辛,在民間應用廣泛。據(jù)《中國民族藥志》記載,少數(shù)民族如苗族、傣族、瑤族、布依族、黎族、壯族、侗族等根據(jù)經(jīng)驗方,用于牙痛、痢疾等病癥的治療。《中國植物志》中記載,地膽草主治感冒、菌痢、胃腸炎、腎炎水腫、癤腫等癥[11]。但是目前關于地膽草在藥理活性方面的研究局限于粗提物或體外實驗,其作用機制尚不明確,故本文基于網(wǎng)絡藥理學的方法探討地膽草對UC的藥理作用,以期為后續(xù)的研究提供參考。
1 材料和方法
1.1 地膽草的潛在作用靶點篩選
基于知網(wǎng) (https://www.cnki.net/), Pubmed (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/), 百度學術(shù)(https://xueshu.baidu.com),Science Direct (https://www.sciencedirect.com)等查閱相關文獻得知,目前已經(jīng)從地膽草中分離得到64種化合物[12]。從化源網(wǎng) (https://www.chemsrc.com)數(shù)據(jù)庫中獲得各個成分的CAS號,在PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫中查找地膽草的Canonical Smiles號,將其導入SwissADME數(shù)據(jù)庫(http://www.swissadme.ch)(搜不到CAS號的成分,可直接利用其畫圖功能在線畫圖),篩選有效成分,確認為有效成分之后再利用成分靶點數(shù)據(jù)庫SwissTargetPrediction (http://www.swisstargetprediction.ch/)獲得地膽草的潛在作用靶點。
1.2 UC的相關靶點預測
在GeneCards (https://www.genecards.org/)數(shù)據(jù)庫中輸入“Ulcerative Colitis”,求得基因得分中位數(shù),取中位數(shù)之前的基因。在Disgenet (http://www.disgenet.org), PharmGKB (https://www.pharmgkb.org/)和TTD ( http://db.idrblab.net/ttd/)中輸入“Ulcerative Colitis”獲取基因,合并4個數(shù)據(jù)庫的靶點信息并去除重復值。
1.3 地膽草和UC交集靶點獲取
利用微生信 (https://www.bioinformatics.com.cn)對獲得的藥物靶點和疾病靶點取交集,即為地膽草治療UC的潛在靶點。
1.4 疾病與藥物的差異基因分析
將交集靶點導入STRING數(shù)據(jù)庫中,限定物種為 Homo sapiens,構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction, PPI)網(wǎng)絡,將結(jié)果保存為tsv文件。導入Cytoscape 3.7.2軟件,篩選該網(wǎng)絡的核心節(jié)點。
1.5 基因本體和京都基因與基因組百科全書通路富集分析
將交集靶點導入Metascape數(shù)據(jù)庫中,限定物種為Homo sapiens ,并按照P值大小進行排序。將選取的結(jié)果用微生信在線工具進行基因本體(gene ontology ,GO)、京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)通路富集分析結(jié)果的可視化。
1.6 分子對接
將PPI網(wǎng)絡圖中的核心基因和KEGG富集分析得到的前3條通路中的基因取交集,篩選出11個基因,選用度值較大的10個成分進行分子對接分析。在PDB (https://www.rcsb.org/)、PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫獲取活性成分和核心靶點的2D結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu),利用Chem3D軟件將其格式轉(zhuǎn)化為3D結(jié)構(gòu),并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,PyMol軟件對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行處理,最后使用AutoDock 4.2.6進行分子對接,計算結(jié)合能。
2 結(jié)果
2.1 地膽草有效成分及靶點的篩選
通過SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫,結(jié)合藥代動力學篩選到34個有效成分,1 804個靶點,去除重復值之后得到555個靶點,部分活性成分信息見表1,全表見OSID科學數(shù)據(jù)與內(nèi)容附表1。
2.2 ?UC潛在靶點的篩選
在GeneCards、DisGenet、PharmGKB和TTD數(shù)據(jù)庫分別以 “Ulcerative Colitis”為關鍵詞,搜索與UC相關的靶點,去重后共得到1 837個疾病靶點。
2.3 核心靶點的獲取
將獲得的藥物靶點與疾病靶點上傳至微生信在線繪制網(wǎng)站,共獲得200個潛在靶點,韋恩圖見OSID科學數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖1。
2.4 藥物-成分-靶點網(wǎng)絡圖的構(gòu)建
利用Cytoscape 3.7.2構(gòu)建地膽草藥物-成分-靶點的網(wǎng)絡圖,見OSID科學數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖2,中央紅色節(jié)點代表藥材地膽草,下方綠色菱形節(jié)點為地膽草的活性成分,外周藍色三角形節(jié)點為藥物-疾病交集靶點,節(jié)點的大小與其所連接的靶點數(shù)目成正比,連線表示藥物與靶點之間的相互作用關系。篩選出排名靠前的活性成分依次是香葉木素、木犀草素、苜蓿素、(Z)-8,11,12-三羥基-9-十八碳烯酸、大黃素甲醚、3-甲氧基-4-羥基-桂皮醛、異地膽草種內(nèi)酯、去氧地膽草內(nèi)酯、阿魏酸和異去氧地膽草內(nèi)酯以及地膽草種內(nèi)酯。排名前10位的靶點蛋白分別是CA2、ESR2、MMP1、PTGS2、MMP9、MMP2、ALOX5、TERT、EGFR、ESR1等,說明其在疾病治療過程中可能發(fā)揮重要作用。
2.5 疾病與藥物的差異基因分析
將200個潛在靶點導入STRING數(shù)據(jù)庫,隱藏無相互作用的節(jié)點,構(gòu)建網(wǎng)絡圖,保存初始的tsv文件,將其導入Cytoscape 3.7.2中進一步優(yōu)化,計算該網(wǎng)絡中degree的中位數(shù)為6,先根據(jù)degree的二倍中位數(shù)篩選一次得到43個核心靶點,再利用Cyto NCA插件分析。計算其degree、betweenness、closeness centrality、information、LAC的中位數(shù)作為篩選條件,即 degree>19、betweenness >13.71、closeness centrality >0.42、information >7.87 、LAC>8.4,最終篩選出16個網(wǎng)絡核心節(jié)點,并進行可視化處理。得到的網(wǎng)絡圖中的面積越大、顏色越接近綠色,代表degree越高,而degree越高,說明該靶點與其他靶點的相關性越明顯,見OSID科學數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖3。最終篩選的靶點拓撲學參數(shù)見表2,推測其可能是地膽草治療UC的關鍵靶點。
2.6 GO和KEGG的富集分析
將Metascape數(shù)據(jù)庫中的富集結(jié)果用微生信平臺進行可視化處理,以P值為篩選條件分別選取生物過程(biological process,BP)、細胞組分(cell component,CC)、分子功能(molecular function,MF)前5個條目,選取KEGG分析中前20條通路進行可視化分析,結(jié)果見OSID科學數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖4、圖5??梢娊患悬c主要參與對系統(tǒng)過程的調(diào)節(jié)、對外部刺激反應的負面調(diào)節(jié)、對凋亡信號通路的調(diào)節(jié)以及對機械刺激的反應等多個GO生物學過程;并參與調(diào)控癌癥信號通路、脂質(zhì)和動脈硬化通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、p53信號通路、幽門螺旋桿菌感染的上皮細胞信號傳導和鈣信號傳導通路等多個KEGG信號通路。由富集分析可知,地膽草對 UC 的治療作用涉及生物過程、分子功能和細胞組分以及通路過程,可能是一個多成分、多靶點、多通路的一個復雜生化過程。
2.7 分子對接
根據(jù)蛋白核心網(wǎng)絡和通路富集篩選出的核心靶點,與度值排名靠前的化合物作分子對接,選取的化合物即香葉木素、木犀草素、苜蓿素、大黃素甲醚、3-甲氧基-4-羥基-桂皮醛、異地膽草種內(nèi)酯、去氧地膽草內(nèi)酯、阿魏酸和異去氧地膽草內(nèi)酯以及地膽草種內(nèi)酯,靶點蛋白分別為JUN(PDBID:6OSN)、MAPK1(PDBID:4ZZN)、AKT1(PDBID:1UNQ)、PIK3R1(PDBID:5GJI)、CTNNB1(PDBID:5IVN)、RELA(PDBID:2CE2)、STAT3(PDBID:6DLG)、EGFR(PDBID:6ICG)、PIK3CA(PDBID:6I1S)和JAK2(PDBID:5WA5)以及MAPK3(PDBID:4QTB)。對接的結(jié)果用熱圖表示(圖1)。
熱圖中,綠色越深,其結(jié)合能越小,表明其結(jié)合情況較好,圖中的數(shù)據(jù)顯示,各成分與蛋白之間的結(jié)合能均小于-20.92 kJ/mol,證明了篩選的活性成分與靶點蛋白之間結(jié)合較好。其中MAPK3、PIK3CA、STAT3和JAK2蛋白與各成分結(jié)合較佳,尤其MAPK3與大黃素甲醚、地膽草種內(nèi)酯、木犀草素、苜蓿素的結(jié)合能小于-39.748 kJ/mol,因此,推測所選取的化合物為地膽草治療UC的主要活性成分。最后,選取對接結(jié)合能量最低的構(gòu)象用于分析對接結(jié)合模型,見圖2,其中藍色表示受體,彩色表示小分子配體,黃色虛線表示形成的氫鍵,紫色表示氨基酸殘基。
3 討論與結(jié)論
UC發(fā)病機制復雜,目前尚無明確定論,可能與遺傳、免疫、感染及精神等多因素交互作用有關,其中炎癥因子平衡起重要作用,如炎性細胞的浸潤和炎癥介質(zhì)的異常表達,抗炎因子與促炎因子調(diào)控失衡,以及其平衡失調(diào)引起免疫反應,均可導致結(jié)腸免疫功能失衡及紊亂,損傷結(jié)腸黏膜從而導致 UC 的發(fā)生發(fā)展,最終導致慢性炎癥[13]。
地膽草的民間藥用歷史悠久,在中國南方多用作食材,被廣泛用作煲湯原料,其臨床療效也頗為顯著[14]。民間有用于治療痢疾的經(jīng)驗,也廣泛用于咽炎、扁桃體炎等多種感染性疾病的治療[15],且目前已有研究證明其在炎癥和抗氧化方面具有良好的活性[16-17]。何昌國等[18]研究表明,地膽草全草提取物具有明顯的體外抗菌作用,能顯著抑制實驗小鼠和大鼠的各期炎癥反應,抗炎強度優(yōu)于阿斯匹林組(P<0.05)。陳昌剛[19]從地膽草中提取的咖啡酸乙酯抑制T細胞免疫反應 ,推測下調(diào) Th1細胞因子可能是其免疫抑制效應的機制之一, 咖啡酸乙酯對膠原誘導性小鼠關節(jié)炎具有抑制作用,下調(diào)高致病性Th17表達,調(diào)控Th17細胞/Treg 平衡,可能是其治療類風濕關節(jié)炎的機制之一。本研究通過數(shù)據(jù)分析預測地膽草可能通過調(diào)節(jié)MAPK3、PIK3CA、STAT3和JAK2等靶點,從而進一步調(diào)控癌癥信號通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、p53信號通路、幽門螺旋桿菌感染的上皮細胞信號傳導和鈣信號傳導通路,以達到治療UC的作用,進一步說明了其對UC患者的作用是多靶點、多通路的特點。
根據(jù)PPI網(wǎng)絡和分子對接分析,篩選出的4種潛在靶點可參與或控制多條信號通路和生物學途徑,以此來調(diào)節(jié)機體的免疫狀態(tài),及時對藥物和炎癥分子刺激做出應答反應。楊麗萍[20]發(fā)現(xiàn)MAPK和STAT3共同調(diào)節(jié)引起TNF-α啟動子活性的增加,從而影響炎癥反應。有研究表明ERK-MAPK通路的過度表達和激活在結(jié)腸癌的進展中起著重要作用[21]。 PIK3CA與細胞增殖、黏附、分化和遷移等過程有密切聯(lián)系[22] ,PIK3CA基因突變,會引起PI3K酶處于持續(xù)激活狀態(tài)導致信號通路的紊亂。根據(jù) PIK3CA基因在結(jié)直腸癌中高頻突變, 并激活 PI3K/AKT信號傳導通路,說明阻斷該信號通路激活對 AKT的磷酸化可能成為治療結(jié)直腸癌的一條有效途徑[23] 。因此,抑制PIK3CA基因的突變是非常有必要的。STAT3為細胞因子和受體相互作用的載體,調(diào)節(jié)細胞生長、生化、炎癥和免疫反應[24]。目前公認 STAT3 參與活化 IL-10 受體,進而調(diào)控其表達和分泌。IL-10 可減弱 T 淋巴細胞活性,同時還可以抑制被激活的過度免疫功能,通過抑制炎性因子的合成和釋放,強烈抑制促炎因子轉(zhuǎn)錄水平,從而起到抗炎的作用,尤其在腸道黏膜免疫中起到了重要作用[25]。JAK2 能識別細胞外信號,發(fā)生磷酸化,激活后能夠使下游 STAT3 發(fā)生磷酸化;而 p-STAT3 具有轉(zhuǎn)錄激活活性,可以調(diào)節(jié)下游多種基因表達,從而參與凋亡和炎癥的調(diào)控[26]。JAK2、STAT3 蛋白的磷酸化水平降低,導致進入細胞核內(nèi)調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄的 p-STAT3 減少,隨之引起細胞中促凋亡蛋白 Bax水平升高、抗凋亡蛋白Bcl-2水平下降[27]。因此推測地膽草可通過上述靶點,干預UC 炎癥、抗氧化及促凋亡的發(fā)生發(fā)展,達到治療目的。
通過KEGG富集分析,預測得到幾條重要信號通路。其中涉及到癌癥信號通路,很多癌癥細胞都是由炎癥的正常細胞發(fā)展生成的[28], Dvorak[29]報道,癌癥和炎癥具有類似的信號通路,如細胞增殖、存活、遷移和血管生成改變,這些信號通路受生長因子、促炎細胞因子和促血管生成因子的調(diào)節(jié)。PI3K/AKT通路的異常激活在UC的發(fā)病機制中起到了重要作用。蔣寅[30]研究表明,黃芩苷能減輕大鼠潰瘍性結(jié)腸炎的炎癥反應,抑制PI3K磷酸化,下調(diào)Akt的活化,從而抑制 TNF-α、 IL-6等炎癥因子的分泌,進而發(fā)揮其抗炎效應。Li 等[31]報道,LRH黃酮類化合物通過減輕腸道炎癥和氧化應激,恢復上皮細胞屏障功能,并通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT途徑改善腸道微環(huán)境,對DSS引起的小鼠UC表現(xiàn)出多方面的保護作用。Chen等[32]研究表明,氧化苦參堿可以通過PI3K/AKT途徑抗炎、促凋亡、下調(diào)Th1和Th17細胞的分化來顯著改善UC癥狀,這一結(jié)果表明,參與UC發(fā)病機制的PI3K/AKT信號通路可能是一個有吸引力的治療靶點。Rahmani等 [33]發(fā)現(xiàn),在結(jié)腸炎小鼠模型中,RGS能顯著減輕結(jié)腸炎的癥狀,其保護作用是由PI3K/AKT和NF-kB信號通路的失活所介導的。
綜上所述,本研究采用網(wǎng)絡藥理學與分子對接方法,分析了地膽草多成分、多靶點、多通路治療UC的復雜機制過程。結(jié)果表明,地膽草活性成分可能通過調(diào)控癌癥通路、PI3K/AKT信號通路和NF-κB信號通路等,發(fā)揮抗炎、抗氧化和抑制免疫反應的作用,從而緩解UC的臨床癥狀,為地膽草治療UC的深入研究提供了參考依據(jù)。
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