基于反向分子對接和網絡藥理學探討姜黃素抗腫瘤作用機制

★ 李成 許靜 孫曉旻 楊歡 姚景春 陳緒龍,2（.九江學院附屬醫院 江西 九江 332000；2.江西中醫藥大學現代中藥制劑教育部重點實驗室 南昌 330004）

癌癥是人類難以應對的頑癥之一，GLOBOCAN 2018數據顯示，中國癌癥標化死亡率為130.1/10 萬，位居全球第12位。由此可見，中國癌癥的死亡率較高，已嚴重危害居民生命健康和社會發展［1］。在臨床上，手術、放療、化療是國際公認的治療手段，雖然它們對殺傷腫瘤細胞具有一定作用，但在另一方面，傳統治療方法會嚴重破壞人體免疫功能和生理功能。因此，醫學上迫切需要尋找到新的治療方案。近年來，越來越多的傳統中藥均被證實具有良好的抗腫瘤作用，尤其是隨著生物信息學技術的不斷進步，一些常用抗腫瘤中藥作用機理的研究已取得了顯著性進展。

姜黃素是從姜科姜黃屬植物姜黃、郁金、莪術等的根莖中提取出來的一種脂溶性多酚類化合物，在姜黃中含量最高，可達到3%～6%，是植物界很稀少的具有二酮結構的色素［2］。大量體內外研究發現姜黃素具有抗炎、抗氧化、抗增殖、誘導凋亡、抗腫瘤等作用［3-5］。體內外藥效實驗發現姜黃素類通過誘導惡性腫瘤細胞分化、誘導腫瘤細胞凋亡及對腫瘤生長各期的抑制效應來發揮其抗癌作用，藥理研究十分廣泛。例如姜黃素可以通過促進細胞凋亡發揮抗膀胱癌作用［3］，還能夠顯著抑制MCF-7和MDA-MB-231細胞的增殖和轉移，具有治療乳腺癌的潛在機制［6］，同時還能加強胃癌的治療效果，在體外通過抑制胃癌細胞中PI3K/Akt/mTOR 信號通路的活化，促進胃癌細胞凋亡性死亡［7］。雖已經有細胞實驗研究結論的支撐，但姜黃素用于腫瘤治療的作用靶點及其機制尚未明確。因此，本研究以人類常見疾病靶標為研究對象，基于反向分子對接術研究姜黃素抗癌的作用機理。

反向分子對接基于Fisher E 的“鎖-鑰匙模型學說”而提出。它以小分子化合物(天然產物、先導化合物及化學合成物) 為探針，在已知結構的靶點數據庫內搜尋可能與之結合的生物大分子，通過空間和能量匹配相互識別形成分子復合物，進而預測藥物潛在的作用靶點［8］。網絡藥理學是在系統生物學與計算機技術高速發展基礎上發展起來的，運用各種組學、高通量篩選、網絡可視化和網絡分析等多種技術，通過“藥物-通路-靶點-疾病”復雜的網絡分析，系統綜合地預測藥物對疾病網絡的干預及影響［9］。目前，反向分子對接術聯合網絡藥理學探討復方中藥及單一組分藥理作用機制的研究越來越多［10-12］，因此，為了更進一步研究姜黃素的抗腫瘤作用機制，以姜黃素為研究對象，采用Pharm Mapper 服務器以人類蛋白靶標為研究對象進行反向分子對接和網絡藥理學研究，以期探索姜黃素在人體抗腫瘤的作用靶點及其作用機制［10］。

1 材料和方法

1.1 靶點挖掘

采用Pharm Mapper（http://lilab-ecust.cn/ pharmmapper/,update:2019-04-10）預測姜黃素的潛在作用靶點，是一種基于配體結構特征的反向藥效團匹配的靶點預測方法,通過反向藥效團將查詢化合物與內部藥效團模型數據庫匹配來識別潛在的藥物靶點。該過程如下：Pubchem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/, update:2020-02-25）是一種化學模組的數據庫，在PubChem Compound輸入關鍵詞“Curcumin”獲取姜黃素的3D化合物結構，保存為“sdf”文件格式。采用ChemBio3D 14.0（Copyright 1998-2021 PerkinElmer Inc）對3D化合物結構進行MM2能量優化并保存為mol2格式，將結果導入Pharm Mapper服務器，通過配體小分子和Targetbank，Drugbank，Binding DB和PDTD四大數據庫中的藥效團自動匹配進行潛在靶點的預測分析，根據文獻進行參數設置，具體如下：Generate Conformers: yes; Maximum Generated Conformations:300; Select Target Set: Human Protein Target Only; Number of Reserved Matched Targets: 100［11］。選取 Z-score＞0.5 作為姜黃素的靶蛋白基因［13］。利用蛋白質數據庫UniProt（https://www.uniprot.org/, update:2020-02-02）將采集到的靶點信息進行官方名稱（official symbol）的校正，限定物種為“homo sapiens”，將靶點轉換成對應的基因。

1.2 蛋白相互作用網絡的構建及篩選核心靶標

STRING數據庫(https://string-db.org/, update:2020-07-28)是一個在線搜索已知蛋白互作關系的平臺，將姜黃素的靶蛋白基因導入STRING 數據庫進行在線分析，限定研究物種為“Homo sapiens”，得到共表達網絡圖。利用 Cytoscape 3.8.2軟件Tools模塊中的“CytoHubba”進行網絡分析，根據相關拓撲參數篩選核心靶點。

1.3 基因本體（Gene ontology，GO）富集分析

GO是一個功能系統，旨在闡明基因功能和基因產物的屬性［14］。GO主要參與生物過程（biological process，BP）、細胞成分（cellular component，CC）和分子功能（molecular function，MF）。

DAVID數據庫（https://david.ncifcrf.gov/, update:2020-10-28）是一個生物信息數據庫，主要用于差異基因的功能和通路富集分析。將姜黃素抗癌靶基因導入 DAVID 數據庫進行GO分析，設置P值＜0.05對GO富集有統計學意義。

1.4 KEGG通路富集

KOBAS（http://kobas.cbi.pku.edu.cn/,update:2020-12-20）是一種廣泛使用的基因富集分析工具，將姜黃素所有抗癌靶標導入KOBAS數據庫進行KEGG通路分析，限定研究物種為“Homo sapiens”，即可得到靶蛋白基因的KEGG 相關通路信息。借助KEGG 通路數據庫（http://www.genome.jp/kegg/,update:2021-05-01）進行通路的可視化分析，通過圖解來表示細胞內的生物學過程。

1.5 “化合物-靶點-通路”網絡的構建

Cytoscape3.8.2（update:2020-10-24）是一個專注于開源網絡可視化和分析的軟件。它的核心是提供基礎的功能布局和查詢網絡，并依據基本的數據的結合成可視化網絡。因此，本研究利用該軟件將“藥物-靶點-通路”的相互關系進行可視化，在網絡中，化合物、靶點和通路以節點（node）表示，化合物與靶點之間、通路與靶點之間的聯系以邊（edge）表示。節點的度數（degree）是與節點相連邊的數量，degree越大就意味著這個節點的度中心性越高，該節點在網絡中就越重要。根據化合物與靶點連接情況篩選出姜黃素的核心靶標。

1.6 “化合物-靶點”的分子對接

（1）配體處理從：Pubchem數據庫下載姜黃素mol2格式3D結構，并使用AutodockTools1.5.6（update:2020-07-29）打開配體小分子，并加氫、加電荷、檢測配體的root、進行可旋轉鍵的搜尋與定義，并保存為pdbqt文件。（2）受體處理：蛋白的三維結構從RCSB Protein Data Bank下載得到，作為本文對接所用的蛋白。在AutodockTools1.5.6中打開通過添加所有的氫原子、計算Gasteiger電荷、合并非極性氫后，將其定義為受體并保存成pdbqt 文件。（3）對接參數設置：確定Vina分子對接的坐標和盒子大小，參數exhaustiveness 設置為20，其他參數均采用默認值。（4）運行及輸出：采用Autodockvina1.1.2（update:2011-05-11）進行半柔性對接，選取affinity最佳的構象，作為最終的對接構象。

2 結果

2.1 姜黃素的靶標預測

本研究依托Pharm Mapper 服務器平臺對姜黃素進行靶標預測，按照排名及打分，挑選出Z-score＞0.5的43 個人源蛋白靶標進行下一步的分析，見表1。

表1 姜黃素反向分子對接結果

2.2 PPI網絡的構建與篩選

將“2.1”靶標基因導入STRING 數據庫得到PPI 網絡圖，見圖1。該網絡包含42個節點，69條蛋白作關系。網絡中各節點的平均局部聚類系數為0.614，平均中心接近度為0.377，平均介數為0.056。利用Cytoscape軟件中“CytoHubba”插件分析其節點的網絡拓撲學特征，篩選最重要的10個關鍵基因，見圖2。這些關鍵基因包括：SRC（steroid receptor coactivator）、表皮生長因子受體（EGFR）、雌激素受體1（ESR1）、過氧化物酶體增生激活受體γ（PPARG）、腎素基因（REN）、細胞周期檢測點激酶1（CHEK1）、醛酮還原酶1成員B1（AKR1B1）、細胞周期蛋白A2（CCNA2）、熱休克蛋白A8（HSPA8）和超氧化物歧化酶2（SOD2）。其中SRC（degree=14）在網路圖中具有較高的度，預測其可能是姜黃素抗腫瘤的核心靶點。

圖1 靶點相互作用網絡圖（PPI）

圖2 PPI網絡的關鍵靶點

2.3 姜黃素抗腫瘤目標基因的GO分析

采用DAVID 6.8數據庫進行姜黃素抗腫瘤靶基因的GO分析。結果顯示在細胞組成（CC）方面，共富集了7條項目：細胞質、細胞外間隙、胞外外體、受體復合物、細胞周期蛋白A2-CDK2復合物、髓鞘及突觸后密度，見圖3A；10項條目富集在分子功能（MF），包括蛋白激酶活性、酶結合類固醇激素受體、3'，5'-環核苷酸磷酸二酯酶活性、相同蛋白質結合等，見圖3B；本研究獲得細胞分化和細胞反應、信號轉導途徑、代謝3個生物過程（BP）富集項，見圖3C。

圖3 姜黃素抗腫瘤靶點的GO分析

2.4 KEGG通路富集結果

由富集分析結果可知，總共得到了17 條與腫瘤相關的KEGG通路，見表2、圖4。由圖表可知，腫瘤通路富集的靶蛋白個數最多且富集因子最高；其次，前列腺癌通路和胃癌通路富集到了較多的靶基因且其富集因子較高。與姜黃素作用的靶蛋白基因在腫瘤通路、前列腺癌通路和胃癌通路富集結果見圖5。

圖4 姜黃素與腫瘤相關KEGG通路富集圖

圖5 KEGG 富集通路

表2 姜黃素與腫瘤相關KEGG 通路富集的基因

2.5 姜黃素的“化合物-靶點-通路”網絡的構建

為了將化合物、靶點和通路的關系進行可視化，借助Cytoscape構建“化合物-靶點-通路”關系圖，見圖6，利用軟件中的“networkAnalyzer”插件分析其節點的網絡拓撲學特征，篩選網絡中的核心靶標基因。從靶點角度分析，較為重要的蛋白靶點有CDK2、FGFR1、TGFBR1、RXRA、GSK3B、EGFR，其中EGFR、GSK3B、RXRA 在網絡中占據較重，調控著多條癌癥通路。

圖6 姜黃素的化合物-靶點-通路相關網絡

2.6 分子對接結果

根據“2.3”及“2.4”結果可知PPI網絡中的核心靶基因為SRC，“化合物-靶點-通路”網絡的核心靶標為EGFR、GSK3B、RXRA，故利用Autodockvina對姜黃素與以上4個靶基因進行分子對接。一般認為，vina評分值表明化合物與蛋白質之間具有一定的結合活性。vina評分越負，化合物與蛋白質的結合就越穩定［15］。對接結果顯示，vina評分如下：姜黃素和SRC、EGFR、GSK3B和RXRA分別為-8.8、-8.6、-8.2和-9.0。姜黃素和抗腫瘤靶點的vina評分均為陰性且小于-6，表明姜黃素對SRC、EGFR、GSK3B和RXRA具有良好的結合活性，見圖7。

圖7 分子對接作用

3 討論

3.1 姜黃素相關蛋白靶標的研究

本研究應用反向分子對接和網絡藥理學的方法，通過多個數據庫和軟件挖掘并獲取姜黃素抗腫瘤作用的潛在靶基因和可能的信號通路。STRING軟件可視化分析顯示，SRC 靶點蛋白與大部分靶點發生直接或間接作用的關系，推測該靶點是姜黃素發揮作用機制的核心靶點。姜黃素對蛋白SRC的作用已有報道，Shakibaei M等［16］證實姜黃素可為耐藥結腸癌細胞提供更有效的治療策略，其機制是通過下調NF-FU B/PI-3K/Src 通路發揮抗腫瘤作用。另有研究發現姜黃素通過誘導miR-203 靶基因Akt2 和Src 下調，最終導致膀胱癌細胞增殖減少和凋亡增加［17］。

EGFR是“化合物-靶點-通路”關系網中最為核心的靶點，調控多條癌癥通路。EGFR 是原癌基因c-erb-B1 的表達產物，在許多實體腫瘤中高度/異常表達，其與腫瘤細胞的生長、增殖、分化及凋亡有關［18-20］。查閱相關文獻可知姜黃素能夠下調EGFR和HER2/neu 蛋白激酶的活性，從而抑制癌細胞的生長［21］。此外，據相關研究顯示姜黃素可通過降低EGFR 基因表達來抑制人結腸癌衍生的Moser 細胞的生長［22］。姜黃素還通過調節EGFR 蛋白水平來下調前列腺癌細胞中的EGFR 信號傳導，抑制EGFR 酪氨酸激酶活性并阻斷配體誘導的 EGFR 激活［23］。

除了基因EGFR，GSK3B 及RXRA 也具有較高的度，在癌癥發生發展過程中起著十分重要的作用。GSK3B是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，具有多種生物學過程，與腫瘤細胞的生長、增殖、凋亡、遷移和轉移過程密切相關［24］，而通過藥物抑制GSK3B 可減弱腫瘤增殖并誘導凋亡［25］。因此，多數研究將GSK-3B作為潛在的治療靶點，已有文獻［26］報道姜黃素可以通過減少酪氨酸磷酸化和增加絲氨酸磷酸化的方式抑制細胞凋亡，這可能與GSK-3B受到抑制有關。RXRA是核受體超家族中重要的一類轉錄因子，它的生物學功能與許多疾病密切相關，如代謝性疾病和腫瘤等。Zhang R 等［27］的體外實驗證實，RXRA 的激活可抑制癌細胞的增殖、遷移和血管生成，這些抑制作用是通過AKT 和FAK 磷酸化調節PI3K/AKT 信號通路來實現的。姜黃素對RXRA 的相互作用尚未見相關報道，有待我們后續進行進一步的驗證。

3.2 姜黃素相關腫瘤通路的研究

KEGG 富集通路分析結果顯示17 條通路與腫瘤顯著相關。根據募集的基因數目及其富集P值進行排序，排名靠前的分別是腫瘤通路、前列腺癌通路、胃癌通路、非小細胞肺癌通路、大腸癌通路。

腫瘤通路：姜黃素在腫瘤通路上招募的基因數最多，P值也最為顯著，提示該藥物和抗腫瘤機制密切相關。KEGG 通路圖中顯示，主要通過細胞因子和細胞因子受體相互作用通道、過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路、Wnt 信號通路抑制腫瘤血管生成、誘導腫瘤細胞凋亡及抑制細胞增殖。前期姜黃素和腫瘤相關研究發現姜黃素類通過誘導惡性腫瘤細胞分化、誘導腫瘤細胞凋亡及對腫瘤生長各期的抑制效應來發揮其抗癌作用［3,6-7］，與本研究富集的通路相符。

前列腺癌通路：姜黃素在前列腺癌通路中富集因子較高，表明姜黃素抗前列腺癌的作用最強，相比較對其他腫瘤作用，具有一定的專一性。姜黃素抗前列腺癌的機理，已有學者的相關研究進行佐證［28-29］。Shilpa K 等［29］體外藥效實驗已證實姜黃素通過中斷TGF-β信號傳導來誘導PPAR-γ基因表達并抑制肝星狀細胞活化，證明姜黃素可用作晚期前列腺癌的治療策略。前列腺癌通路富集的姜黃素作用靶點基因有CDK2、EGFR、FGFR1、GSK3B、PDPK1，推斷姜黃素在人體內通過PI3K/Akt/mTOR、MARK、細胞因子和細胞因子受體相互作用等通路，或者作用于CDK2、EGFR 等靶蛋白來發揮抗前列腺癌的作用。

胃癌通路：姜黃素作用的靶蛋白基因在胃癌通路中的富集，推測姜黃素對胃癌具有一定的治療作用。從通路富集圖中可知，主要通過PI3K/Akt 信號通路、MARK 信號通路和Wnt 信號通路抑制癌細胞存活、增殖及分化；通過抑制RXR 的表達來阻止癌細胞DNA 的合成；通過阻斷CDK2 的表達來調控腫瘤細胞周期。相關文獻表明姜黃素確實有胃癌的治療作用［7,30］，與化療藥物的聯用，在降低化療藥嚴重不良反應的同時，還能通過相應的分子機制增強抗癌作用［31］。

非小細胞肺癌通路：姜黃素在非小細胞肺癌通路KEGG富集中P值排名相對較前，推測姜黃素具有抗非小細胞肺癌的作用。通路富集圖中顯示PI3K/Akt信號通路和ErbB信號通路與腫瘤細胞的凋亡相關，與文獻報道的姜黃素能夠顯著上調miR-192-5p和抑制PI3K/Akt信號通路來抑制人非小細胞肺癌細胞的增殖并誘導其凋亡，具有治療非小細胞肺癌的潛在作用一致［32］。

大腸癌通路：通過姜黃素作用于靶蛋白基因在大腸癌通路中的富集，說明姜黃素具有抗大腸癌的作用。KEGG 通路圖中顯示ErbB 信號通路、Wnt信號通路及PI3K/Akt信號通路參與癌細胞的增殖和凋亡。Marjaneh R M等［33］通過構建結腸癌大鼠模型發現姜黃素通過調節Wnt 途徑抑制了大腸癌細胞的生長和侵襲行為。體外細胞實驗證實姜黃素可能通過抑制PI3-K/Akt 信號通路的活化，從而抑制結腸癌細胞增殖和誘導細胞凋亡［34］。以上研究結果與通路富集結果一致。

綜上所述，本文基于反向分子對接和網絡藥理學方法，以姜黃素為研究對象，對該化合物抗腫瘤的潛在人源靶蛋白進行了反向虛擬篩選，并對潛在靶點進行了蛋白相互作用研究，以及KEGG 富集分析。結果表明姜黃素在腫瘤治療領域具有較好的研究前景，可作為治療多種腫瘤的一個新的潛在藥物，其功能分析顯著富集于前列腺癌和胃癌通路。但反向分子對接也有一定的局限性：計算機模擬對接數據不能完全代替體內實驗數據；對接分數高、親和力高的不一定就說明配體作用較好［35］。因此，還需要利用開展相應的體內外生物學實驗進行驗證，以便更科學有效地助力中藥現代化研究。