·基础研究·
基于网络药理学的百合抗抑郁作用机制研究△
何丹,黄建华,曾宏亮,黄小龙,舒骏,邹笃准,赵河,张水寒
water heater湖南省中医药研究院,湖南中医药大学,湖南 长沙 410013
[摘要] 目的:采用网络药理学方法探究百合抗抑郁的作用机制。方法:通过检索中药系统药理学数据库与分析平台(TCMSP)、BATMAN等在线数据库并结合文献调研,构建百合成分数据库;通过SwissTargetPrediction平台预测各成分潜在作用靶点,构建“成分 靶点”网络;以抑郁症为背景从GeneCards、OMIM、DrugBank数据库获得疾病靶点;通过与百合各成分靶点比对获得百合及抑郁共有靶点;采用Cytoscape构建百合抗抑郁的“成分 靶点 通路”网络,并进行KEGG通路富集分析。结果:通过网络药理学方法筛选得到百合发挥抗抑郁作用的16个生物活性成分,这些成分可作用于88个抑郁症相关的靶标。其中百合皂苷可能是其抗抑郁主要活性成分。百合可通过多靶点(STAT3、AKT1、JUN、VEGFA、TNF、APP、MAPK14、ESR1、AR和HSP90AA1等)参与小胶质细胞激活或衰减及雌激素水平的调节发挥抗抑郁作用,其中晚期糖基化终末产物(AGE)/晚期糖基化终末产物受体(RAGE)信号通路、磷脂酰肌醇3 激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路、鞘脂信号通路、C型凝集素受
体信号通路、雌激素信号通路可能是其抗抑郁关键途径。结论:预测了百合抗抑郁的活性成分和潜在靶点,为百合及其复方抗抑郁机制研究提供参考。
[关键词] 百合;抑郁;网络药理学;通路分析;百合皂苷
[中图分类号] R285 5 [文献标识码] A [文章编号] 1673 4890(2020)12 1996 10
doi:10 13313/j issn 1673 4890 20200305008
StudyonMechanismofAntidepressionofLiliiBulbusBasedonNetworkPharmacology
HEDan,HUANGJian hua,ZENGHong liang,HUANGXiao long,SHUJun,
ZOUDu zhun,ZHAOHe,ZHANGShui han
onceinawhileHunanAcademyofChineseMedicine,HunanUniversityofChineseMedicin,Changsha410013,China
[Abstract] Objective:ToexploretheantidepressantmechanismofLiliiBulbusbyusingnetworkpharmacology Methods:ThedatabaseofLiliiBulbusingredientswasconstructedabysearchingonlinedatabasessuchasthetraditionalChinesemedicinesystempharmacologydatabaseandanalysisplatform(TCMSP),BATMANandcombiningliteratureresearch TheSwissTargetPredictionplatformwasusedtopredictthepotentialtargetsofeachcomponentandbuilda″component target″network TheGeneCards,OMIM,andDrugBankdatabaseswereusedtogetthediseasetargets ThecommontargetsofLiliiBulbusanddepressionareobtainedbycomparingwithcomponenttargetofLiliiBulbus Cytoscapewasusedtoconstructthe″component target pathway″networkofantidepressantinlily,andconductKEGGpathwayenrichmentanalysis Results:Networkpharmacologymethodssuccessful
lyidentified16biologicallyactiveingredientsinLiliiBulbus,whichactedon88depression relatedtargets Amongthem,Liliumsaponinmaybeitsmainantidepressantcomponent LiliiBulbuscanparticipateinmicroglialactivationorattenuationthroughmultipletargets(includingSTAT3,AKT1,JUN,VEGFA,TNF,APP,MAPK14,ESR1,ARandHSP90AA1),andTheregulationofestrogenlevelsexertsantidepressanteffects,amongwhichtheAGE/RAGEsignalingpathway,PI3K/Aktsignalingpathway,sphingolipidsignalingpathway,C typelectinreceptorsignalingpathway,andestrogensignalingmaybethekeyantidepressantpathways Conclusion:ThisstudysuccessfullypredictedtheantidepressantactiveingredientsandpotentialtargetsofLiliiBulbus,whichprovidedascientificbasisforthestudyofantidepressantmechanismofLiliiBulbus
[Keywords] LiliiBulbus;depression;networkpharmacology;pathwayanalysis;Liliumsaponin
△[基金项目] 名贵中药资源可持续利用能力建设项目(2060302);全国中药资源普查项目(财社〔2017〕66号);国家中药标准化项目(ZYBZH Y HUN 21);湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目(2020SK2029)
[通信作者] 张水寒,研究员,博士生导师,研究方向:中药资源开发和综合利用;E mail:zhangshuihan0220@126 com
百合为百合科植物卷丹LiliumlancifoliumThumb 、百合L browniiF E Brownvar viridulumBaker或细叶百合L pumilumDC 的干燥肉质鳞叶。其味甘、苦,性微温,归肺经;兼有养阴润肺、清心安神之效;用于肺热咳嗽、干咳久咳、热病后虚热、烦躁不安。化学成分分析表明,百合的可食用鳞茎中含淀粉、蛋白质、纤维素、多糖、皂苷和生物碱等成分,其中皂苷、类黄酮和多糖是百合的主要活性成分。
抑郁是因郁怒、思虑、悲哀、忧愁等情志不遂所致的心神失常[1]。《金匮要略》认为,百合可滋养心肺之阴、补益心肺之气,因而在古代神志病治疗中应用历史悠久[2]。故百合清心安神可能是其抗抑郁功效的依据。现代研究证实,百合可提高抑郁症大鼠脑内神经递质多巴胺(DA)、5 羟色
胺(5 HT)水平,同时降低血清皮质醇(COR)、促肾上腺皮质激素(ACTH)水平及下丘脑促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)mRNA水平,改善大鼠抑郁样症状[3 5]。百合还可与地黄、知母、紫石等联合用于糖尿病、脑卒中、慢性心力衰竭等并发抑郁的治疗[6 7]。然而,由于中药复杂的成分体系,百合抗抑郁涉及的物质基础和分子机制尚不清晰。因此,解析百合治疗抑郁的潜在作用机制可为百合及其复方解郁研究提供参考。
网络药理学从网络角度描述生物系统,通过整合大量实验及虚拟模型将传统的“一靶,一药”模式转变为“网络靶点,多组分治疗”的模式,与中医整体性原则一致,为阐明中药和疾病之间的复杂性提供了可能[8 10]。本研究结合网络分析及虚拟对接技术,从生物信息学的角度揭示百合多成分 多靶点网络的科学内涵,揭示百合“清心安神”的抗抑郁潜在物质基础及作用机制,为百合研究及相关产品研发提供参考。
1 材料与方法
1 1 成分数据库的构建
以“百合”为关键词检索中医药整合药理学研究平台(TCMIP,http://www tcmip cn/TCMIP/,ver 20)[11]、中药分子机制的生物信息学分析工具(BATMAN,http://bionet ncpsb org/batman tcm/)[12]中相关成overfly
分,去除重复成分,经文献检索验证后通过ChemBioDraw14 0软件绘制各化合物的分子结构,并保存其Mol或SDF格式文件。1 2 成分靶标预测
采用SwissTargetPrediction(http://www swissta rgetprediction ch/)在线分析工具对百合活性成分的潜在作用靶点进行预测[13 14]。将上述百合活性成分文件上传至SwissTargetPrediction网站,以“Homosapiens”为背景预测靶点;以每个成分预测概率值>0 5的前15个靶点作为潜在有效靶标建立成分靶点数据库[15]。
1 3 抑郁靶点收集
以“depression”为关键词、“Homosapiens”为限定条件从GeneCards(https://www genecards org/,ver 4 9 0)、OMIM(http://www omim org/)、DrugBank(https://www drugbank ca/)数据库中初步筛选疾病相关靶蛋白,去除冗余靶点后,结合文献数据验证,建立抑郁靶点数据库。
1 4 蛋白质 蛋白质相互作用(PPI)分析
tri通过STRING(https://string db org/,ver 11 0)数据库将检索到的百合活性成分靶点与抑郁相关靶点进行在线关联,靶点基原选择“Homosapiens”;选择相关性得分(interactionscore)≥0 70的高置信度靶标。
1 5 网络构建与分析
采用可视化软件Cytoscape(ver 3 7 0)构建百合成分 靶点网络、百合 抑郁PPI网络及百合成分 靶点 通路网络。计算网络中各节点(node)及边(edge)的拓扑属性,将度(degree)值≥10,且degree≥中介中心度(betweennesscentrality,BC)值中位数2倍的靶点视为网络的关键靶点,作进一步分析。
1 6 富集分析
进行基因本体(GO)及京都基因与基因组百科全书(KEGG,http://www genome ad jp/kegg/)通路的富集分析,选择P≤0 05的条目进行进一步研究。
2 结果
2 1 百合成分 靶点网络分析
小学英语课堂用语
从TCMIP及BATMAN数据库中共检索获得11种百合化学成分。此外王百合苷类(regalosideB、C、E、F、I)虽未被数据库收录,但本课题组前期研究和文献调研表明,其可能是百合质量评价的潜在成分,且有研究表明,百合皂苷类成分是其抗抑郁的有效部位之一[16 18],故将这5个化合物也纳入网络分析。百合
成分信息见表1。对百合的16个活性化合物进行SwissTargetPrediction在线预测,删除冗余成分后共获得110个潜在靶点(见表2)。应用Cytoscape建立百合成分 靶点网络(126个节点,300条边),见图1。
表1 百合潜在活性成分
编号化合物分子式相对分子质量1豆甾醇(stigmasterol)C21H24O5356
2liliosideCC9H18O8254
3王百合苷A(regalosideA)C18H24O10400
4百合皂苷(brownioside)C45H70O17882
5秋水仙碱(colchicine)C22H25NO6399
6大黄素(emodin)C15H10O5270
726 O 1 D glucopyranosyl 31,26 dihydroxy 15 choleslen 16,22 dioxo 3 O 1 L rhamnopyranosyl (1,
2) 1 D glucopyranoside
C45H72O18900
8neohyacinthosideC57H93NO251191tiredof
9王百合苷D(regalosideD)C18H24O10400
10solasodine 3 O 1 L rhamnopyranosyl(1,2) O [1 D glucopyranosyl(1,4)] 1 D glucopyranosideC45H73NO16883
11cyanidin 3 O 1 rutinoside 7 O 1 glucosideC33H42O20758
12王百合苷E(regalosideE)C20H26O12458
13王百合苷F(regalosideF)C19H26O11430
14王百合苷Ⅰ(regalosideI)C20H26O11442
an angle
15王百合苷B(regalosideB)C20H26O11442
16王百合苷C(regalosideC)C18H24O11416
ksn
注:粉色六边形代表靶点;绿色倒三角表示成分。
图1 百合成分 靶点网络
2 2 百合 抑郁PPI网络分析
2 2 1 百合抗抑郁潜在靶点 以“depression”为关键词从GeneCards、OMIM、DrugBank数据库中共获得9719个与抑郁发生发展相关的潜在靶点。将预测的百合潜在靶点与抑郁靶点进行比对,发现95个百合 抑郁的共有靶点(见图2)
。
图2 百合 抑郁共有靶点
2 2 2 百合 抑郁PPI网络 将上述95个共有靶点导入S
TRING数据库,进行在线靶点互作分析;选取交互作用得分≥0 7的高可信度靶点,构建百合 抑郁PPI网络(见图3)。该网络包括88个节点、274条边。其中节点度值排名前10的靶点为百合 抑郁PPI网络的关键靶点。
considered小胶质细胞是中枢神经系统中的常驻巨噬细胞,其异常激活或衰减将诱导促炎细胞因子[白细胞介素 6(IL 6)、肿瘤坏死因子 α(TNF α)]或抗炎细胞因子的释放,产生神经毒性,导致抑郁的发生,因此,小胶质细胞可能是减轻各种神经系统疾病病理
变化的潜在靶标[
19 22]
。巨噬细胞集落刺激因子(M CSF)可在慢性应激条件下通过激活小胶质细胞
来减少抑郁样行为[23]。Kwon等[23]
上海尚德实验学校研究表明,小胶
质细胞中信号转导和转录激活因子3(STAT3)
的缺失注:粉色代表靶点;红色代表排名前10位的靶点。
图3 百合 抑郁PPI网络
可促进M CSF在神经元细胞中的合成,激活蛋白激酶B(Akt)/糖原合成激酶3β(GSK3β)
和细胞外调节蛋白激酶1/2(ERK1/2)等抗抑郁类信号通路的磷酸
化。Kang等[24]
研究发现,Akt1可通过维持线粒体
膜电位的不对称性及调节半胱氨酸蛋白酶活性来防止炎症性小胶质细胞活化,预防神经退行性损伤。有研究表明,血管内皮生长因子(VEGF)通过直接影响许旺细胞(Schwanncells)、神经元祖细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞,在周围和中枢神经系统中发挥神经营养和神经保护作用,抗抑郁类药可诱导海马VEGF的表达;这可能与其调节神经发生和神
经元发育以及大脑血管的分化和形成有关[25]
。Wu等[26]发现,慢性不可预性的压力(CUS)将加速
认知障碍的发生,并导致海马淀粉样β(APP)片段显著增加。
研究发现,许多精神障碍(包括焦虑症和抑郁