川貝母藥理作用機制的網絡藥理學研究*

周金龍，李蘩漪，金 晶△

（1.新疆醫科大學，新疆 烏魯木齊830011；2.新疆醫科大學第一附屬醫院，新疆 烏魯木齊830054）

川貝母為百合科貝母屬多種植物的干燥鱗莖，有清 熱潤肺、化痰止咳功效[1]。近年來，隨著高通量組學、計算機技術、藥理學及網絡數據庫檢索技術的日益完善，現代醫學對疾病認識的不斷加強，應用網絡藥理學技術從系統生物學角度闡述復方制劑的作用原理的臨床及基礎研究逐漸增多[2－4]。本研究旨在通過網絡藥理學篩選出川貝母的活性成分與作用靶點，通過核心靶點進行富集分析，探討其藥理學作用機制，為其臨床應用提供理論基礎?，F報道如下。

1 資料與方法

1.1 活性成分及靶點篩選

采用中藥系統藥理學數據庫與分析平臺（TCMSP）（http：／／tcmspw.com／index.php）收集川貝母的有效化學成分，根據Lipinski規則（LR）、口服生物利用度（OB）及藥物相似性（DL）鑒定潛在的生物活性成分，以OB≥30%、DL≥0.18為標準[5]篩選出候選成分及其可能有效的化學成分。

1.2 活性成分－靶點網絡構建

將得到的川貝母活性成分導入UniProt數據庫（http：／／uniprot.org／）進行靶點－基因名轉換，將轉換后的靶點通過零代碼功能富集分析（DAVID）數據庫（http：／／david.abcc.ncifcrf.gov／）及BATMAN－TCM數據庫（http：／／bionet.ncpsb.org／batman－tcm／），進行KEGG信號通路與GO生物學富集分析，以P＜0.05為條件進行靶基因篩選，分析川貝母發揮藥理作用的主要信號通路及生物過程。

1.3 靶基因相互作用網絡構建

將篩選得到的靶基因在蛋白相互作用（string）數據庫（https：／／string－db.org／）構建靶點蛋白相互作用網絡（PPI）模型，以明確川貝母靶基因之間的相互作用，將蛋白種類設為“Homo sapiens”進行操作，最低相互作用閾值設為“medium confidence”，其他參數保持默認設置。將PPI模 型 導 入Cytoscape 3.5.1軟 件，運 用“Network Analysis”功能進行分析。依據度值(degree)、介數確定川貝母關鍵靶基因。詳見表1。

表1 網絡藥理學的數據來源Tab.1 Sources of the data of network pharmacology

2 結果

2.1 川貝母活性成分分析

根據TCMSP數據庫檢索結果，以OB≥30%及DL≥0.18為條件進行篩選，去除重復的化合物，得到可能有效的活性成分13種。詳見表2。

表2 川貝母的活性成分Tab.2 The active ingredients of Fritillaria cirrhosa

2.2 川貝母作用靶點篩選

以“human”為檢索條件，將PubChem CID提交到BATMAN－TCM數據庫，獲得63個靶基因，并根據匹配度由高到低進行排序，刪除重復項后得到40個匹配度＞0.5的靶基因。詳見圖1及表3。

表3 川貝母主要活性成分對應靶基因Tab.3 Target genes corresponding to main active ingredients of Fritillaria cirrhosa

圖1 川貝母活性成分Fig.1 The active ingredients of Fritillaria cirrhosa

2.3 生物信息學分析

將篩選得到的62個靶基因輸入DAVID 6.8數據庫進行GO及KEGG富集分析。

GO富集分析：共獲得165個生物過程（BP）、35個細 胞 組 分（CC）、51個 分 子 功 能（MF）。其 中，60種BP、26種CC、42種MF顯著富集（P＜0.05），前20位詳見圖2至圖4。

圖2 川貝母靶基因GO分析BP散點圖（前20位）Fig.2 BP scatter diagram of GO analysis of target gene of Fritillaria cirrhosa（top 20）

圖4 川貝母靶基因GO分析MF散點圖（前20位）Fig.4 MF scatter diagram of target gene GO analysis of Fritillaria cirrhosa（top 20）

KEGG通路富集分析：在設定預測候選目標得分（≥20分）的情況下，將檢索得到的靶基因作為候選靶點，共得到65條信號通路，53條通路顯著富集（P＜0.05），前20位詳見圖5。

圖5 川貝母靶基因KEGG分析CC散點圖（前20位）Fig.5 CC scatter diagram of target gene KEGG analysis of Fritillaria cirrhosa（top 20）

2.4 疾病富集分析

疾病種類分類：DAVID 6.8數據庫將篩選得到的靶基因富集分析后獲得344種可能具有治療作用的疾病，其中303種疾病有統計學意義（P＜0.05），包括3種肺部相關疾?。宰枞苑渭膊?、肺癌及哮喘)，1種炎性疾?。ǜ腥荆l炎）。前20位詳見表4。

表4 川貝母可能治療的疾病種類（前20位）Tab.4 Possible diseases treated by Fritillaria cirrhosa（Top 20）

OMIM／TTD分析：BATMAN－TCM數據庫將篩選得到的靶基因進行OMIM分析（http：／／www.omim.org）／TTD分析，OMIM分析獲得110種疾病，其中92種疾病顯著富集（P＜0.05），前20種詳見表5；TTD分析獲得119種疾病，其中4種疾病顯著富集（P＜0.05），見表6。

表5 川貝母靶點治療疾病OMIM分析（前20位）Tab.5 OMIM analysis of target diseases of Fritillaria cirrhosa（Top 20）

表6 川貝母靶點治療疾病TTD分析Tab.6 TTD analysis of target diseases of Fritillaria cirrhosa

潛在活性成分靶標途徑／疾病關聯分析：根據已知和預測的候選目標蛋白繪制PPI圖，其得分不小于每個查詢TCM成分的20分，在“簡化網絡視圖”中，僅顯示顯著富集KEGG途徑和OMIM／TTD疾病表型。川貝母靶點PPI網絡圖含有333個節點、1 439條邊，其中節點表示靶點，邊表示靶點與靶點之間的相互作用關系。將得到的PPI數據從BATMAN數據庫導出，詳見圖6。

圖3 川貝母靶基因GO分析CC散點圖（前20位）Fig.3 CC scatter diagram of target gene GO analysis of Fritillaria cirrhosa（top 20）

圖6 川貝母靶點PPI圖Fig.6 PPI network diagram of Fritillaria cirrhosa targets

2.5 靶點PPI分析

利用Cytoscape3.5.1軟件繪制PPI圖，通過Cytohubba插件鑒定川貝母的關鍵蛋白，其中綠色表示川貝母有效化合物；核心化合物成分為β－谷甾醇，藍色表示作用靶基因，共40個靶基因，篩選出度值＞10的核心基因11個，其中轉錄因子AP－1(JUN)、半胱天冬酶3(CASP3)及熱休克蛋白90基因(HSP90AA1)這3個基因度值最高，詳見表7及圖7；完成前15位主要靶基因形成PPI圖，詳見圖8；完成前15位主要靶基因與化合物形成相互作用圖，詳見圖9；最后，利用40個靶基因完成PPT圖，詳見圖10（每個節點代表1個蛋白質，蛋白質中的螺旋代表該蛋白的結構）。

圖7 川貝母化合物網絡相互作用圖Fig.7 Interaction network diagram of the compounds of Fritillaria cirrhosa

圖8 前15位主要靶基因相互作用Cyto－degree圖Fig.8 Cyto－degree diagram of the top 15 main target genes interactions

圖9 前15位主要靶基因與化合物相鄰及擴展圖Fig.9 Cyto－degree neighbors and expanded diagram of the top 15 main target genes and compounds

圖10 40個靶基因網絡相互作用圖Fig.10 Interaction network of 40 target genes

表7 川貝母作用的核心基因Tab.7 Core genes of Fritillaria cirrhosa

3 討論

單味中藥的組分成分復雜，在以“辨證”為原則的治療理念下其化學成分起效機制一直不能被客觀證實。網絡藥理學在多個公共網絡平臺數據庫的基礎上客觀反映了生物大分子與化學成分間復雜的相互作用關系，融合了系統生物學、多向藥理學、計算生物學、網絡分析等多學科的技術和內容，將生物學網絡與藥物作用網絡相結合，提供了探究藥物與疾病相互作用機制的文獻基礎，與復雜疾病的治療理念相吻合，被廣泛用于中藥潛在活性成分和作用靶點的預測及中藥作用機制的闡述，按“疾病表型－生物分子網絡”的思路，能充分、準確、形象地展現中藥多成分作用于多靶點、多通路的過程，揭示中藥作用于疾病的機制[6]。近年來，較多學者均以單味藥或復方通過網絡藥理學研究其治療疾病的機制，探討其治療有效性[7－8]。本研究中通過網絡藥理學篩選出川貝母的有效化學成分，為更有針對性的單體研發提供理論基礎。

本研究中，共篩選出川貝母的13種化學成分，通過UniProt數據庫進行靶點轉換后，共獲得40個有效靶基因。將篩選的川貝母有效基因靶點利用DAVID數據庫中Functional Annotation分析工具對川貝母的作用靶點進行富集分析及通路分析，結果川貝母可能通過影響60種BP、26種CC、42種MF對刺激神經組織的配體－受體相互作用信號通路、鈣離子信號通路、嗎啡成癮、癌癥相關通路、膽堿能突觸等53個通路有作用，其中與交感神經遞質和受體相關通路5條，即鈣離子信號通路、嗎啡成癮通路、尼古丁成癮、逆行內源性大麻素信號傳導、心肌細胞中的腎上腺素信號傳導；與神經代謝相關通路4條，即刺激神經組織的配體－受體相互作用信號通路、膽堿能突觸、5－羥色胺能突觸、γ－氨基丁酸（GABA）能突觸；與激素相關通路3條，即環磷酸腺苷（cAMP）信號通路、雌激素信號通路、孕激素介導的卵母細胞成熟；與腫瘤相關通路3條，即癌癥相關通路、腸癌通路、前列腺癌通路；與肝臟疾病相關通路2條，即乙型肝炎及非酒精性脂肪肝??；其他類通路3條，即細胞凋亡、唾液分泌及脂肪細胞中脂解的調控。

神經活性配體受體相互作用信號通路是質膜上所有與細胞內外信號通路相關的受體和配體的集合[9]。潘玲珍等[10]研究發現，長期使用地西泮能使神經活性配體受體相互作用信號通路中16個基因表達發生顯著變化，可能與長期使用地西泮導致機體所產生的藥品不良反應密切相關。Ca2＋是調節細胞內多種生物調節過程中的第二信使（如收縮、分泌、突觸傳遞、核孔調節及轉錄等）。Ca2＋是參與神經遞質的關鍵化學物質，神經系統內細胞間信號釋放的關鍵化學物質。其參與神經元的活性和免疫系統，該通路的基因具有調節海馬區腦功能，能應對壓力事件，與焦慮和抑郁及抗抑郁藥的藥效相關[11]。WANG等[12]通過對TCGA數據庫的12種腫瘤的DNA甲基化狀態及其相應的基因表達模式進行整合分析后發現，多種腫瘤類型的鈣信號通路均發生顯著高甲基化，且發生DNA高甲基化的基因恰好位于鈣信號通路的關鍵節點，如控制胞內鈣流量的G蛋白耦聯受體、蛋白激酶A等，認為鈣信號通路基因的異常DNA甲基化可能作為腫瘤治療和抗腫瘤藥物開發的一個潛在靶點。ADNAN等[13]研究發現，胸腺嘧啶醌與美沙酮的協同作用，涉及嗎啡成癮途徑，胸腺嘧啶醌通過嗎啡成癮通路上調磷酸二酯酶1a（PDE1A）基因、γ－氨基丁酸A型受體Theta亞基和G蛋白亞基Beta3基因的表達，認為炎性反射的傳出通路是膽堿能突觸通路，能改善晚期哮喘炎性反應。乙酰膽堿酯酶抑制劑介導外周和中樞抗炎反應，能抑制膽堿能抗炎通路活性，減少腫瘤壞死因子－α、白細胞介素1β和白細胞介素6的水平，可能具有改善認知的作用[14]。

進一步通過DAVID數據庫疾病富集分析發現，川貝母可治療303種疾病，包括精神類疾病，酒精依賴、自閉癥、精神分裂癥、注意缺陷障礙品行障礙對立違抗障礙、雙相情感障礙、貪食癥及抑郁癥；代謝性疾病，2型糖尿病、高膽固醇血癥、肥胖；腫瘤性疾病，非霍奇金淋巴瘤、食管腺癌及肺癌，感染性疾?。郝宰枞苑渭膊　⑾案腥?；其他類疾病，多發性硬化及偏頭痛。通過BATMAN－TCM數據庫進行疾病富集分析發現，川貝母治療疾病多集中于代謝類疾病中，能緩解疼痛類疾病。川貝母主要用于臨床治療肺系疾病，很少用于精神類疾病，本研究匯總中擴大了川貝母的疾病治療范圍。從中醫角度來看，神志類疾病與痰飲有關（痰蒙心竅、痰氣交阻），川貝母味辛、性平，不僅能溫化肺間之痰濕，同樣能如《本草會編》所載：“治虛勞咳嗽，吐血咯血，肺痿肺癰，婦人乳癰、癰疽及諸郁之癥。”

使用String數據庫構建的PPI不僅可顯示蛋白質分子間直接的物理相互作用，還可顯示蛋白質間的間接功能相關性。通過Cytoscape 3.5.1軟件制作PPI圖發現川貝母的核心化學成分，網絡拓撲學理論認為，網絡中與節點直接連接的節點數目越多，其網絡的影響力就越大，度是網絡中與某個節點直接相鄰節點的數目，因此Degree值因其衡量節點重要性簡單、直觀的特點，成為度量節點局部中心性的重要參數。根據Degree值篩選出中心節點，即網絡中連接度較高的點，在網絡中起到樞紐作用，具有關鍵的生物學功能。其中，HSP90基因（含HSP90AA1，HSP90AB1，JUN及CASP3）度值最高。

β－谷甾醇是植物甾醇類成分之一，屬四環三萜類化合物，有降膽固醇、止咳、祛痰及抑制腫瘤和修復組織的作用。VALERIO等[15]發現，β－谷甾醇通過增加J774A.1鼠巨噬細胞中酪氨酸磷酸酶的活性來抑制核因子(NF)－κB和STAT1等促炎信號轉導通路活性。REYES等[16]發現，β－谷甾醇能減弱RAW264.7細胞的內化、細胞內存活，并且抑制MAPKs連接的細胞內信號轉導。通過誘導促炎細胞因子的產生來增強小鼠的感染抵抗力。而其他成分如鈉通道蛋白[17]亦能通過影響細胞內的遷移過程、在細胞膜上的有效表達、通道降解過程及通道門控動力學等過程影響Nav 1.5通道的功能。

因此，川貝母的活性成分為酞酸雙（2－乙基己基）酯及β－谷甾醇，主要治療靶點有HSP90AA1、JUN及CASP3等，可能通過影響細胞外配體門控離子通道活性、藥物結合等分子功能，突觸后膜、質膜及細胞連接等細胞組分，藥物反應、膽堿能突觸傳遞及腺苷酸環化酶抑制G蛋白耦聯乙酰膽堿受體信號通路等生物學過程，對刺激神經組織的配體－受體相互作用及（或）鈣信號通路等而起到治療作用。川貝母不僅能治療數種精神類疾病，還能治療多種代謝性疾病，通過復雜化學成分與多個靶標，可進一步闡釋中藥活性成分預防或治療疾病的作用。