基于網絡藥理學探討煙毒成分與肺癌易感基因的關系

何潔，常福厚

(1.內蒙古醫科大學 藥學院，內蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一醫院 藥劑科，內蒙古 呼和浩特 010030)

基于網絡藥理學探討煙毒成分與肺癌易感基因的關系

何潔1,2，常福厚1Δ

(1.內蒙古醫科大學 藥學院，內蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一醫院 藥劑科，內蒙古 呼和浩特 010030)

目的 采用網絡藥理學方法研究煙毒成分對肺癌易感基因表達的影響，探索其多成分-多靶點-疾病的相互關系。方法 針對香煙煙霧的11個主要煙毒成分，依據PubMed中相關文獻知識構建多成分-基因-疾病網絡，進而篩選出煙毒成分影響肺癌易感基因表達的共享基因，采用Cytoscape軟件建立煙毒成分-共享基因-疾病網絡模型。結果 網絡分析表明，11個煙毒成分共影響106個肺癌易感基因，其中有57個肺癌易感基因受到11個煙毒成分中至少2個成分的交互影響。結論 本文從基因角度闡明煙毒成分與肺癌的關系，并提示11個煙毒成分對其他疾病易感基因的影響，為今后煙毒成分與肺癌易感基因的關系更細化的研究提供了一定的統計學參考。

網絡藥理學；煙毒成分；肺癌易感基因

肺癌因其發現晚、病死率高、預后差等特點，成為對人類健康威脅最大的惡性腫瘤之一[1]。研究顯示，肺癌的發生和發展由多種原因引起，如基因變異、吸煙、環境污染、職業暴露、民族差異、飲食習慣等均為肺癌的致病因素[1-2]，而其中吸煙與肺癌的關系最為密切[3]。超過80%肺癌的發生與煙草消費有關，但吸煙者中只有不到20%最終發生肺癌，提示肺癌的發生存在個體易感性的差異[4-5]。

我國是世界上最大的煙草生產國和消費國[6]，且據 IARC 預測，至 2025 年我國每年因肺癌死亡人數將達百萬[7]。

隨著當代醫學研究的深入，人們已逐漸認識到腫瘤是多因素誘導、多基因參與的復雜性疾病[8]。從分子水平來看，其發生發展涉及多基因靶點和多條信號通路，藥物治療亦要通過系統的調控生物網絡才能起到理想的效果[9]。在基于“整體論”的腫瘤生物學預測和解讀模式下，“網絡藥理學”(Network pharmacology)應運而生[10]。

過去對香煙煙霧毒性的評價集中在單一毒性成分對人體的致癌作用，對多毒性成分之間的相互作用幾乎沒有研究。已有研究表明，單一化學物質的生物學效應與其在復雜機制中和多種物質聯合作用時的生物學效應有很大區別，不同物質之間的拮抗、相加、協同等作用方式影響了單一物質獨立作用時的結果[11]。網絡藥理學可從多成分、多靶點、多疾病相互作用的整體性和系統性出發，采用復雜網絡模型分析煙毒成分與肺癌易感基因之間的關系，因此，可以篩選出在煙毒成分影響下與肺癌相關的基因[12-13]。本研究以煙毒成分為載體，運用網絡藥理學方法，繪制多成分、多靶點與多種疾病間復雜網狀關系圖，為今后研究多煙毒成分之間的相互作用對肺癌易感性的影響提供一定的參考，以及給吸煙聯合基因多態性與肺癌易感性關系的研究提供信息，同時為揭示吸煙通過影響基因致其他疾病的機制提供支撐。

1 方法

1.1 搜索煙毒成分的作用靶點 煙草煙霧中含有約7000余種化學物質，有至少69種為致癌物[6]。1998年，加拿大政府立法修正的Hoffmann名單中的46種煙毒成分得到了醫學界和煙草行業的普遍認可[14-15]。根據國際腫瘤研究機構的致癌性評價結果[16]，該名單中的11種煙毒成分為人體1級致癌物，本文即選擇這11種煙毒成分進行研究。香煙的主流煙霧中包括氣相和粒相2部分，本研究選擇的氣相的煙毒成分有甲醛(Formaldehyde，FA)和苯(Benzene，PhH)，粒相的煙毒成分有苯并(a)芘(Benzo(a)pyrene，B[a]p)，N-亞硝基降煙堿(N'-nitrosonornicotine，NNN)，4-(甲基亞硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone，NNK)，2-氨基萘(2-Amino naphthalene)，4-氨基聯苯(4-aminobiphenyl, 4-ABP)，砷(Arsenic，As)，鎳(Nickel，Ni)，鉻(Chrome，Cr)，鎘(Cadmium，Cd)。以這些成分和肺癌為關鍵詞，從PubMed 中檢索出相關的所有文獻(檢索范圍為2016年9月1日前)，剔除不含靶點信息的文獻，從中提取相關靶點信息。

由于檢索到的文獻中包含了來源于不同物種的基因信息，且存在命名不規范等問題，故需先對基因信息進行標準化。本文使用 NCBI 數據庫的基因(Gene)搜索功能，通過輸入基因名稱并限定物種為人，將檢索得到的所有基因校正為其官方名稱(Official symbol)，具有多個亞型的基因信息也一并列入。搜索的輸入格式為: (Homo sapiens[organism]) AND protein name [protein full name]。經上述數據庫檢索和轉化操作，獲取與11個煙毒成分相關的基因信息。

1.2 提取與肺癌有關基因的相關影響因素的信息 從人類孟德爾遺傳數據庫(截止到 2016 年 9月 1 日)中，搜索與肺癌相關的所有基因，用于比對來源于文獻的數據。

1.3 分析煙毒成分-多靶點關系 采用 Cytoscape 軟件建立肺癌-基因-煙毒成分網絡模型，該網絡包括肺癌、基因和煙毒成分3類節點。節點間的連接原則為當煙毒成分靶點與肺癌相關靶點相同時，則將煙毒成分與疾病關聯起來。通過建立肺癌-基因-煙毒成分、肺癌-基因-肺癌、煙毒成分-基因-煙毒成分、基因-肺癌-基因、基因-煙毒成分-基因5種連接，構建起完整的網絡圖。在此基礎上，通過網絡分析，研究11個煙毒成分的多靶點作用及其潛在的致病途徑。

2 結果

2.1 11個煙毒成分的靶點信息統計 從PubMed文獻檢索的結果中，除2-氨基萘未檢出相關文獻，得到10個煙毒成分的作用靶點信息見表1。其中NNK的相關靶點數量最多，超過50個；苯并(a)芘和砷的相關靶點數在40～50個；NNN、甲醛和4-氨基聯苯的相關靶點數在10個以下。

表1 10個煙毒成分的靶點信息統計

2.2 煙毒成分-相關基因-其他疾病信息的分析 根據PubMed中相關文獻檢索結果統計，與10個煙毒成分作用于肺癌的相關基因共106個，其中共享基因57個，每個共享基因均受到2個或以上的煙毒成分的影響。按在煙毒成分影響下共享基因出現的頻次排序，見表2。其中p53基因與10個煙毒成分有關聯，ERK、BCL2、AKT1等基因也與5個或以上的煙毒成分有關聯。按共享基因相關疾病的共享基因數排序，排在前10位的疾病。見表3。在這57個受煙毒成分影響的基因中，57個均是肺癌易感基因，同時也影響其他惡性腫瘤。其中還包括24個心血管疾病易感基因和12個慢性阻塞性肺病易感基因等。

表2 共享基因出現的頻次排序

表3 共享基因相關疾病與共享基因數排序

2.3 煙草煙霧中11個毒性成分的多靶點作用研究 采用Cytoscape軟件建立肺癌-基因-煙毒成分網絡，肺癌與基因及11個煙毒成分間的關聯關系直觀地呈現于圖1。經網絡分析發現，肺癌易感基因中有57個基因與11個煙毒成分中的至少2個產生關聯。

3 討論

從結果可知，NNK和苯并(a)芘的相關靶點較多、文獻數也較多，但靶點/文獻較低，說明對這2種成分的研究較為集中，且得到的結果重復率比較高；N-亞硝基降煙堿、甲醛和4-氨基聯苯的相關靶點數和文獻數均較少，說明現階段對其關注較少，可以成為我們今后研究的方向。尤其是2-氨基萘與肺癌易感基因的關系至今鮮有報道。

此外，實驗結果表明，除2-氨基萘沒有檢索到相關文獻信息，其余10種煙毒成分對基因的調控存在多重的交互作用，涉及多種疾病。有文獻報道：鉻雖然是一種弱誘變劑，但可以提高多環芳烴綁定在肺組織的p53基因；鎳能夠顯著提高多環芳烴等其他誘變劑的基因毒性和致癌性；鎘與苯并(a)芘或其他多環芳烴結合時可協同增強細胞轉化；砷和苯并(a)芘可以協同發揮細胞和遺傳毒性，增強致癌作用[17-20]。由圖1可見，苯并(a)芘與4種重金屬均有10個以上的共享基因，結合已有文獻報道，可初步推斷重金屬增強了苯并(a)芘的毒性。與苯并(a)芘和重金屬聯合作用關系比較密切的基因有p53、AKT1、ERK和BCL2，而這些基因又與小細胞肺癌、銀屑病、慢性阻塞性肺病和消化性潰瘍這幾種疾病密切相關。苯并(a)芘與NNK有19個共享基因，相關研究表明：苯并(a)芘與NNK共同作用時表現出協同致癌作用[21]。從圖1可見，苯并(a)芘與NNK的聯合作用主要調控：Rb、p53、MYC、FHIT、BCL2、AKT1、PI3K和COX2基因，這些基因與小細胞肺癌密切相關；p21、VEGF、ERK、CASP3、D1與前8個基因的共同作用與心血管疾病相關；BAX和IL6基因的共同作用顯示出與風濕性疾病的密切關系。

國家衛生部于2012年發布了《中國吸煙危害健康報告》，系統地闡述了吸煙及二手煙暴露對健康危害的相關問題，從流行病學的角度闡明了煙草煙霧對惡性腫瘤、呼吸系統疾病、心腦血管系統疾病、生殖系統疾病、糖尿病及其他健康問題產生的影響[6]。從表3可見，在受煙毒成分交互影響的57個肺癌易感基因中，57個基因都與其他惡性腫瘤有關聯，其中24個基因與心血管系統疾病關聯，14個基因是慢性阻塞性肺病的易感基因，本文結果可從基因角度為吸煙危害健康這一問題佐證。

本課題組前期研究結果顯示CYP1A1、CYP1B1、GSTM1、GSTT1和VEGF基因的多態性和肺癌的易感性相關[22-24]，從圖1可見，網絡分析結果與其一致，可進行相互印證。

通過對肺癌-共享基因-煙毒成分網絡進行分析發現，11個煙毒成分均作用于多個靶點，呈現出多成分、多靶點、交互作用的特點。網絡藥理學為分析肺癌易感性提供了全新的角度，可以通過生物學網絡中節點的連接和關系來分析網絡特性，進一步闡述肺癌的發生機制。煙毒成分影響肺癌的相關基因和基因相關疾病并不是隨機的分布在網絡中，而是具有靶點分布的特點和一定的規律。這樣，我們可以通過網絡藥理學的研究來尋找和確認靶點，對肺癌的發生機制和易感性研究具有重要的指導意義。本研究通過對肺癌-基因-煙毒成分的分析，為多靶點疾病機制的闡明提供了重要信息，同時表明了吸煙對腫瘤及其他疾病發生的影響，進一步為肺癌等疾病的防治奠定了理論基礎。

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(編校：吳茜)

A network pharmacology study of the association between cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility

HE Jie1,2, CHANG Fu-hou1Δ

(1.Department of Pharmacy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, China; 2.Department of Pharmacy, First Hospital of Hohhot, Hohhot 010030, China)

ObjectiveTo investigate the effects of the main harmful components in cigarette smoke on the expression of lung cancer susceptibility genes by use of the method of network pharmacology, and to explore the correlations of multiple targets and multiple components and diseases.MethodsLiteratures about the 11 main tobacco toxic ingredients of cigarette smoke were collected from PubMed and the multicomponent-genes-disease network was structured, and then, shared genes which affect the expression of lung cancer susceptibility were screened out.Then use Cytoscape software to construct the multicomponent-shared genes-disease network.ResultsNetwork analysis showed that 11 main harmful components in cigarette smoke influnce 106 lung cancer susceptibility genes, 57 lung cancer susceptibility genes of which were affected by at least 2 of the 11 components.ConclusionFrom the genetic point of view, the relationship of cigarette smoking and lung cancer was elucidated, and the effect of 11 components on the susceptibility genes of other diseases was also explored.This study may provide some statistical references for further detailed research targeting the relationship of cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility.

network pharmacology; cigarette toxic component; lung cancer susceptibility gene

10.3969/j.issn.1005-1678.2016.09.046

國家自然科學基金項目(81160406,81260499)；內蒙古自治區自然科學基金項目(2015MS0889)

何潔，女，碩士，藥師，研究方向：生化與分子藥理學，E-mail：hejie08mail@163.com；常福厚，通信作者，男，教授，碩士研究生導師，研究方向：生化與分子藥理學，E-mail：changfh@sina.com。

R734.2

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