基于网络药理学与分子对接技术探讨四氢姜黄素对肝细胞癌作用的分子机制.pdf

.:./.():.左文娜朱虹金爱燕.诱导 基因对鼻咽癌细胞增殖、凋亡和免疫逃避的作用.遵义医科大学学报():.孙海力林文巧李绍霄等.在鼻咽癌细胞上皮间质转化中的作用.浙江中西医结合杂志():.():.:.():.():.():.(本文编辑:高宽)收稿日期:作者单位:沈阳医学院研究生院辽宁 沈阳 沈阳医学院口腔医学院辽宁 沈阳 沈阳医学院中医药学院辽宁 沈阳 辽宁省人类族群特异性及重要疾病表型组学研究重点实验室辽宁 沈阳 沈阳医学院国际教育学院辽宁 沈阳 基金项目:辽宁省教育厅科学研究项目沈阳医学院科技基金项目()沈阳医学院硕士研究生科技创新基金项目()共同第一作者 通信作者 :./.基于网络药理学与分子对接技术探讨四氢姜黄素对肝细胞癌作用的分子机制包卓聪王庆庆贾 辉陆 瑶时 娜张 艳 摘 要 目的通过网络药理学靶点预测方法结合分子对接技术探讨四氢姜黄素抗肝细胞癌()的作用机制方法从多个数据库中获得四氢姜黄素或 潜在作用靶点通过在线富集分析平台 将核心靶点进行 功能和 通路富集分析以及可视化处理了解四氢姜黄素治疗肝细胞癌可能涉及的生物过程与信号通路采用 软件进行半柔性分子对接实验以验证药物分子与其核心靶点的结合活性结果四氢姜黄素与 共同靶点 个核心靶点共 个包括、等潜在作用靶点 分析的 条通路包括 信号通路、信号通路等 富集分析表明四氢姜黄素参与细胞对化学压力的反应、细胞对氧含量降低的反应等 分子对接结果显示四氢姜黄素与多个疾病关键靶点具有较高的结合能力对接评分较高的为四氢姜黄素与 靶点蛋白结论四氢姜黄素能够通过多靶点、多通路达到治疗肝细胞癌的目的本研究为进一步研究四氢姜黄素抗肝细胞癌的作用机制提供了参考关键词 肝细胞癌四氢姜黄素网络药理学分子对接 ()()().实用药物与临床 年第 卷第 期 .:引言肝癌作为一种最为普遍的恶性肿瘤之一其发病率在全球范围内排名第五而死亡率高居全球第三 肝癌包括原发性肝癌和继发性肝癌其中肝细胞肝癌()是最常见的原发性肝癌全世界每年约有 万新发病例 手术切除肿瘤及肝脏移植为当前主要治疗手段但其复发几率大手术难度大肝源不足预后差 因此通过非手术方法治疗中晚期肝癌是重要的补充手段 目前中药成为抗肿瘤新药研发的新方向 姜黄素()是从姜科属植物姜黄的根茎中提取的主要活性成分 研究表明姜黄素具有调节细胞周期、抑制肿瘤发生和转移的活性其对正常细胞的毒性较低副作用较小并且姜黄素还具有抑制 生长、侵袭转移、血管生成及抑制肝星状细胞活性、乙肝病毒表达复制的作用因此成为潜在的肿瘤干预药物的选择四氢姜黄素()是姜黄素在体内主要的活性代谢产物自然存在于姜黄中其结构上缺乏 不饱和羰基部分 四氢姜黄素的结构决定了其独特和特异性的分子机制从而使其成为预防和治疗癌症的潜在候选药物 研究表明姜黄素可以抑制多种癌症细胞姜黄素在肝脏中被内源性还原酶系统还原为四氢姜黄素和六氢姜黄素 与姜黄素不同四氢姜黄素在各种 值的盐水和磷酸盐缓冲液中具有稳定性 与姜黄素相比四氢姜黄素因其较好的化学稳定性和生物利用度以及与姜黄素的结构高度相似成为开发癌症预防和治疗药物的有价值的先导化合物网络药理学通过系统生物学、生物信息学和多方面药理学等跨学科理论揭示了疾病、基因、靶标和药物之间的复杂网络关系能够更加准确地找到药物的治疗靶点 网络药理学强调通过多途径调控信号通路来改善药物治疗效果、减少毒副作用以提高新药临床试验成功率、节约药物研发费用等 网络药理学已成为一种筛选治疗靶标的快速、有效、经济的方法 本研究应用网络药理学的研究手段在系统层次上以生物网络为总体视角解析四氢姜黄素与肝细胞癌之间的分子关联规律分析预测药物靶标机制分子对接技术验证成分与靶点的相互作用为其后续研究提供参考 资料与方法 收集和筛选与四氢姜黄素相关的靶点 本次实验利用小分子结构的相似性来预测药物分子的靶点并且以文献检索进行补充从而确定 的作用机制 首先以“”为关键词检索并下载四氢姜黄素的 化学结构存储为 格式并上传至(:/)中进行成分靶点预测下载预测结果下载完成后针对所得到的结果进行筛选以“概率”值大于 进行筛选 此外通过探索 数据库(:/)中以“”为关键字的文献补充了其他潜在的四氢姜黄素靶标 最终经过 数据库(:/)的处理所有的靶标名称均已被转化为基因符号 对所获得的靶点进行综合汇总并进行去重处理 检索时间自建库至年 月 收集和筛选与肝细胞癌相关的靶点利用 数据库(:/)、数据库(:/)以关键词“”进行检索在 数据库中疾病靶点的筛选条件为相关性得分值 倍的中位数合并去重后获取肝细胞癌疾病相关靶点 检索时间自建库至 年 月 四氢姜黄素与肝细胞癌共同靶点的筛选以及网络模型的构建利用 (:/)在线韦恩图分析工具将四氢姜黄素药物靶点与肝细胞癌疾病靶点导入绘制韦恩图以获取共同的治疗靶标将交集靶点作为四氢姜黄素治疗肝细胞癌的潜在靶点并且采用 软件包对整理获得的四氢姜黄素、肝细胞癌等相关靶点信息实用药物与临床 年第 卷第 期 .建立网络以及进行可视化处理得到“四氢姜黄素靶点肝细胞癌”网络 靶蛋白互作 网络的构建与核心靶点的筛选将四氢姜黄素与肝细胞癌共同靶点导入 数据库(:/)设置物种为 其他参数保持默认获得其 网络信息将其导入 软件使用 插件对其进行网络拓扑分析以度值()、中介中心性()和接近中心性()作为参考值选出疾病的核心靶点 功能富集分析与 通路富集分析将获得的四氢姜黄素和肝细胞癌的核心靶点导入到 (:/)在线富集分析平台中并将该物种设置为“”然后进行 功能和 通路富集分析以获得生物过程、细胞组分、分子功能和代谢途径 对这些数据进行保存并利用微生信在线可视化处理网站(:/)进行可视化呈现 检索时间自建库至 年 月 通过分子对接技术对活性成分和核心靶点进行对接 将四氢姜黄素分子与筛选关键靶点进行半柔性分子对接和结合构象打分 在 数据库(:/)和 数据库(:/)中分别下载 的 结构 格式的文件和度值()较高的核心靶点蛋白的 格式文件然后使用 软件将活性成分 格式文件转化为 格式文件并进行能量最小化处理 将以上文件一并导入 软件以提取靶点蛋白中的配体小分子并且进行去除水分子和加氢等处理随后进行分子对接并利用打分函数进行评估 制作分子对接示意图时选择高分结合构象的对接结果绘制 结果 四氢姜黄素与肝细胞癌靶点筛选与交集靶点的获取及网络关系图的构建经过筛选成功确定 个四氢姜黄素的作用靶点同时发现 个与肝细胞癌相关的靶点 共有 个靶点是重叠于药物作用和疾病相关的靶点 通过对数据进行分析和总结建立重叠靶点的韦恩图(见图)个交集靶点作为四氢姜黄素治疗肝细胞癌的潜在靶点对潜在靶点信息进行网络构建以及可视化处理其“四氢姜黄素靶点肝细胞癌”网络如图 所示 靶蛋白互作 网络的构建与核心靶点的筛选通过将 个靶点蛋白信息上传至 平台并进行 网络分析获得靶点蛋白之间的相互作用关系并将其导入 进行可视化处理以节点表示靶点以边表示各靶点之间的相互作用关系 在去除 个孤立节点后构建一个 网络其中包含了 个节点和 条相互作用连线 网络如图 所示 利用 插件进行网络拓扑学分析以、和 为筛选条件筛选出 个核心靶点这些靶点的相关拓扑参数见表 随着数值的增加 网络中该节点的重要性也增加其在生物学功能方面的作用也可能随之增强 随着面积的增大 值也呈现出逐渐增大的趋势(图)功能富集分析 功能富集分析的结果包括 条生物学过程()条细胞组分()和 条分子功能()根据 值排序随着 值的增大和颜色的变红所代表的富集程度也随之增加 分别挑选出排名前 的富集结果作为气泡图由图 可见核心靶点所涉及到的与癌症相关的生物学过程主要有酶联受体蛋白信号通 路()、跨膜受体蛋白酪氨酸激酶信号通路()、细胞对氧水平降低的反应()等细胞组分主要涉及到膜阀()、内吞囊泡()、聚合酶转录调节复合物()等分子功能主要包括转录因子结合()、核受体活性()、蛋白激酶结合()等图 四氢姜黄素和肝细胞癌靶点韦恩图实用药物与临床 年第 卷第 期 .图 四氢姜黄素靶点肝细胞癌网络关系图表 四氢姜黄素与肝细胞癌核心靶点及拓扑参数名称中介中心性接近中心性平均度值.图 四氢姜黄素与肝细胞癌交集靶点蛋白互作 网络构建 通路富集分析据 通路富集分析结果所示涉及核心靶点的通路数量高达 条 根据 值排序随着 值的增大和颜色的变红所代表的富集程度也增加因此需要对前 位进行筛选并绘制气泡图(见图)涉及的信号通路中癌症的通路()、化学致癌受体激活()、信 号 通 路()、信号通路()等均与 相关并且四氢姜黄素可能对前列腺癌()、乙型肝炎()、结直肠癌()、乳腺癌()等具有治疗作用 分子对接 为了验证药物和筛选的 个核心靶点的结合活性我们通过分子对接技术对中药成分和蛋白靶点进行对接验证 将经过筛选的 个核心靶点与 进行分子对接以 的打分函数为阈值结合自由能越小配体与受体的结合越稳定 值越大表明活性成分与靶点蛋白的结合效果较好 则表明结合活性极强 表 中呈现了分子对接的结果 根据实验结果四氢姜黄素成功地与 个核心靶点实现了精准对接 四氢姜黄素与、均有强烈的结合活性并且与、结合活性较好与 的结合活性一般 靶点蛋白与四氢姜黄素的对接反应评分最高 分子对接示意图见图 通过 个氢 键 嵌 入 在 的、等氨基酸残基所形成的疏水性口袋中结合活性强图 四氢姜黄素与肝细胞癌核心靶点 富集分析气泡图实用药物与临床 年第 卷第 期 .图 四氢姜黄素与肝细胞癌核心靶点 富集分析气泡图表 四氢姜黄素与核心靶点分子对接评分名称 靶标蛋白打分.图 四氢姜黄素与 分子对接示意图 讨论 世纪 年代以来中药抗癌药物逐渐成为抗肿瘤药物研发的新方向 年等通过研究姜黄素治疗 证实了药物通过/自噬通路对肝癌细胞产生影响 肝脏是体内能量代谢的主要场所 是能量代谢的主要传感器 糖酵解是肝肿瘤细胞产生能量的基本过程 可以通过抑制糖酵解来治疗 实验结果表明姜黄素可以通过 途径促进细胞凋亡并通过/途径促进自噬从而降低肝癌细胞 的存活率达到治疗肝癌的目的 研究表明姜黄素口服生物利用度低经历广泛的代谢后血液中姜黄素浓度低但其仍然具有抗癌作用表明可能是姜黄素代谢物在体内仍有药理作用 四氢姜黄素作为体内主要的姜黄素代谢产物具有较好的化学稳定性和生物利用度以及与姜黄素的高度结构相似性 尽管四氢姜黄素缺乏 不饱和羰基部分但是其以不同的酮烯醇形式和其他类似物方式存在这些类似物可能是四氢姜黄素具有不同于姜黄素的功能和作用机制的原因之一本研究通过小分子结构相似性进行靶点预测并结合文献进行相关药物靶点补充找到 个四氢姜黄素治疗肝细胞癌的潜在核心作用靶点包括、等 经过 富集分析和 信号通路富集分析结果表明这些靶点主要分布于转录调节复合物、膜阀、内吞囊泡等部位并且具有与转录因子结合、蛋白质结构域特异性结合、蛋白激酶结合等功能参与细胞对化学压力的反应、细胞对有机氮化合物的反应及细胞对氧含量降低的反应等多种生理过程参与调控 信号通路参与在癌症中 的表达以及 检查点信号通路、等信号通路这些均表明 可作用于多个靶点和通路以达到抑制 的效果 与多个核心靶点蛋白实用药物与临床 年第 卷第 期 .的分子对接结果呈现出较高的结合力和结合活性验证了此结论 血管内皮生长因子是介导肿瘤血管生成的主要物质 所编码的蛋白是血管内皮生长因子受体()研究表明在植入肝癌细胞系 异种移植瘤的/裸鼠中每天口服 /四氢姜黄素可显著降低肿瘤组织内的毛细血管密度在分子水平上四氢姜黄素触发线粒体依赖性级联反应 上调并降低 以诱导细胞凋亡 分子对接结果也同样显示四氢姜黄素能与、以及 靶点蛋白稳定结合本研究采用网络药理学方法对四氢姜黄素进行了潜在的靶点预测和信号通路分析从多角度探讨其在预防和治疗肝细胞癌方面的潜在作用机制 利用分子对接技术验证了药物成分与各核心靶点的结合活性 目前四氢姜黄素治疗肝细胞癌的相关研究报道很少本研究主要通过生物信息学分析方法对四氢姜黄素在肝细胞癌肿瘤细胞中表达情况及信号转导途径进行深入预测为继续研究四氢姜黄素抗肝细胞癌作用的潜在靶点提供了理论参考同时为现代分子生物学技术验证四氢姜黄素对抗肝细胞癌的作用及分子机制提供了依据有助于深入了解四氢姜黄素抗肝细胞癌作用的分子机制从而为临床肝细胞癌治疗提供参考参考文献:.():.:.():.:.():.():.():.:.:.():.():.:.():.:.:.():.():./.:.:.():.:.:.():.:.():.:.():.:().():.():.:/.():.:.():.实用药物与临床 年第 卷第 期 .():.():.():.():.:.:.():.:.():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.(本文编辑:刘立民)实用药物与临床杂志 年征订、征稿启事 实用药物与临床杂志创刊于 年是由辽宁省药学会和中国医科大学附属盛京医院共同主办的、国内外公开发行的综合性医药学学术期刊 /我刊为“中国科技论文统计源期刊”(中国科技核心期刊)并被美国化学文摘()等国外数据库收录我刊欢迎下列稿件:对医院药学有实际指导意义的实验研究、临床药学、药物疗效观察、国内外最新药学动态、治疗学中的药物评估、药物不良反应以及医院药房管理等方面内容 我刊主要栏目有论著、临床药学、安全用药、药物不良反应、综述、药房/药事管理等本刊为月刊大 开 页每册定价为 元全年 元本刊发表周期短对省部级以上部门科研基金资助项目的论文优先刊登欢迎投稿我刊实行网上投稿不接收其他形式的投稿投稿网址:/./编辑部地址:沈阳市和平区三好街 号 邮编:电话(传真):电子邮箱:.实用药物与临床 年第 卷第 期 .