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基于网络药理学的大枣补血机制初探

更新时间:2021-07-16 08:13点击:

  摘    要:目的:应用网络药理学研究策略对大枣补血机制进行分析、探讨。方法:通过文献和TCMSP平台获取大枣的成分,根据成分的含量、口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)、类药性(Drug Likeness,DL)综合筛选出大枣潜在有效成分,通过DisGeNET和BATMAN-TCM平台获取大枣补血的潜在靶点并进行富集分析,应用Cytoscape 3.7.1软件构建“大枣-有效成分—补血靶点—核心通路”网络。结果:以可视化图表的形式较直观地展现及分析了大枣的荷叶碱、原卟啉、环磷酸腺苷等15个有效成分通过影响IL6、TNF、IGF1等52个补血靶点进而调控造血细胞系通路、HIF-1信号通路、PI3K-Akt信号通路的潜在核心补血机制。结论:本研究通过网络药理学预测及分析了大枣多成分、多靶点、多通路调控的补血机制,为进一步开展大枣补血机制研究及大枣相关药物、保健食品的研发提供科学依据。
  
  关键词:大枣 补血 网络药理学 贫血 分子机制
  
  Study on the Enriching Blood Mechanism of Jujube Based on Network Pharmacology
  
  SHANG Yu-zhi LI Chen-ling WEI Lu-qiu FANG Gang
  
  Guangxi Zhuang Yao Medicine Center of Engineering and Technology,Guangxi University of Chinese Medicine;
  
  Abstract:Objective To analyze and discuss the enriching blood mechanism of Jujube applied research strategies of network pharmacology. Method To obtain the compositions of the Jujube by documents and TCMSP platform,according composition content,oral bioavailability (OB),and drug likeness (DL) to comprehensive screening potential active ingredients of Jujube. And then to get potential targets to enriching blood of Jujube and make enrichment analysis by DisGeNET and BATMAN-TCM platform,and Cytoscape3. 7. 0 was applied to construct “Jujube-active ingredient-enriching blood targets-hub pathways” network. Result It can present visually and analyze potential core enriching blood mechanism of Jujube whose 15 active ingredients of nuciferine,protoporphyrin IX and cyclic adenosine monophosphate and so on can effect 52 enriching blood targets of IL6,TNF,IGF1 and so on to regulate and control the hematopoietic cell line pathway,HIF-1 signaling pathway and PI3K-Akt signaling pathway by the form of Visual chart. Conclusion This study successfully to predict and analyze enriching blood mechanism of Jujube in multi-component,multiple target point and multichannel regulation by network pharmacology,and it provides the scientific basis for the further research of enriching blood mechanism of Jujube and related drug and health food development in Jujube.
  
  Keyword:jujube; enriching blood; network pharmacology; anemia; molecule mechanism;
  
  大枣是中医、壮医药膳调理血虚的常用食材之一。现代研究表明,大枣营养成分丰富,具有抗氧化、促进骨髓造血等作用,但其补血机制尚未明确[1-3]。网络药理学是在组学和大数据高速发展的基础上,融合了系统生物学、生物信息学等的对生物系统网络进行整体分析的一门学科[4]。近年来,网络药理学研究策略已成为阐释中药有效性和科学性的新策略[5]。中医血虚证与现代医学的贫血临床表现、病因、治疗目的均有着较高相似性,二者均为体内血液亏虚,出现皮肤、唇、舌、指甲色淡无华等临床表现;二者病因大致相似,血虚证之血液生化不足类似于现代医学红细胞生成减少,血液耗损过多类似于现代医学的急慢性失血;二者均以补血为治疗目的[6]。本研究尝试将贫血的疾病靶点作为血虚证的靶点,应用网络药理学研究策略构建“大枣-有效成分—补血靶点—核心通路”多层次网络,对大枣的潜在补血机制进行预测及探讨。
  
  1 资料与方法
  
  1.1 大枣潜在有效成分及靶点的获取
  
  TCMSP (http://lsp.nwu.edu.cn/index.php)是一个融合了药物化学、药代动力学等信息的中药研究分析平台[7],通过检索TCMSP以获取大枣成分来源。口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)、类药性(Drug Likeness,DL)是药物活性成分筛选的主要指标[8-9],故以“OB≥30%、DL≥0.18”为条件筛选大枣的活性成分,将筛选出的活性成分和含量较高的成分作为大枣潜在有效成分[7]。
  
  Dis Ge NET (http://www.disgenet.org/)是一个整合了包括CTD、Uni Prot、HPO等数据库资源的人类疾病相关基因和变异信息数据的综合平台[10],通过Dis Ge N-ET数据库获取贫血疾病基因靶点,亦视为血虚证相关靶点。BATMAN-TCM (http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/)中使用基于相似性的方法来预测中药成分的潜在靶点[11]。通过BATMAN-TCM分别获取大枣的潜在有效成分的潜在靶点,并以预测分值大于20的筛选条件获取准确性较高的潜在靶点与血虚证相关靶点作交集以获取二者的补血相关靶点。
  
  1.2 富集分析
  
  基因本体(Gene Ontology,GO)起源于1998年,已在生命科学领域得到广泛应用,主要用于分析基因产物的生物学过程(Biological process,BP)、细胞组件(Cellular Component,CC)和分子功能(Molecular Function,MF)[12-13]。KEGG是一个整合了基因组、化学、疾病信息和系统功能综合数据库,通过KEGG通路对已完成测序的基因组进行生物学解释,被广泛用于分析基因组学、蛋白质组学、代谢组学等数据[14]。Web Gestalt (http://www.webgestalt.org)是一个广泛使用、功能丰富的基因富集分析工具[15]。将大枣补血相关靶点导入Web Gestalt进行GO和KEGG通路富集分析,使用在线绘图工具Omishare Tool (http://www.omicshare.com/tools)将富集结果可视化,并对富集KEGG通路进行分析,筛选出大枣补血的核心通路。
  
  1.3 靶蛋白相互作用(Protein-Protein Interaction,PPI)及拓扑分析
  
  将大枣补血相关靶点导入蛋白质相互作用数据库STRING (https://string-db.org/)[16]获取靶点相互作用(PPI)关系网络,将PPI关系网络导入Cytoscape 3.7.1进行拓扑分析,参照张彦琼等[17]提出的Hub节点筛选方法,以自由度、介数中心性和接近中性数值在平均值以上的靶点为Hub靶点。
  
  1.4 核心机制网络构建
  
  将PPI网络与大枣潜在有效成分、核心通路的相互关系共同导入Cytoscape 3.7.1,构建“大枣-有效成分-靶点-核心通路”的多层次核心机制网络。
  
  2 结果与分析
  
  2.1 大枣的潜在有效成分及血虚证相关靶点
  
  从TCMSP中获得大枣的化学成分133个,其中符合“OB≥30%,DL≥0.18”的成分29种,但其中未包含葡萄糖、果糖、环磷酸腺苷。大枣的含糖量高达30%~60%,在糖类中葡萄糖含量最高(32.5%),其次为果糖(30.8%)[18-19]。大枣的环磷酸腺苷含量约1.23~99.60μg/g,位居水果首位[20]。故最终将葡萄糖、果糖、环磷酸腺苷及29种符合“OB≥30%,DL≥0.18”的成分共同作为大枣潜在有效成分进行进一步研究。
  
  通过Dis Ge NET获得血虚证相关靶点489个,通过BATMAN-TCM获得预测分值大于20的大枣潜在有效成分靶点696个。通过贫血疾病靶点与大枣潜在有效成分靶点作交集得到大枣的潜在补血靶点52个,涉及大枣相应的潜在有效成分15种,不同成分涉及的补血靶点数量不一,涉及补血靶点数量较多的成分可一定程度上认为该成分在大枣发挥补血功效起着较大作用。其中大枣潜在有效成分中荷叶碱、原卟啉、环磷酸腺苷、β-谷固醇、豆甾醇的补血靶点均在10个以上,其荷叶碱是一种阿朴啡类生物碱,有抗衰老、抗氧化、抑菌、调脂等作用[21],原卟啉是血红蛋白的重要组分之一[22],环磷酸腺苷制剂在临床应用中可改善癌性贫血患者的贫血状况[23],β-谷甾醇和豆甾醇均属于植物固醇,二者有抗炎、抗氧化、降低胆固醇等作用[24-25](表1)。
  
  2.2 PPI网络分析
  
  将52个大枣的潜在补血靶点导入STRING数据库获取PPI关系,进而将获取的PPI关系应用Cytoscape3.7.1构建靶蛋白PPI网络图(图1)。该网络中含有52个节点和306条边,除了ACAD8外的51个节点间均有着相互作用关系。网络中节点的自由度、介数中心性和接近中性的均值分别为11.77、0.02、0.53,筛选出PPI网络中自由度、介数中心性和接近中性值均在均值以上的hub靶点12个:IL6、TNF、IGF1、NOS3、IL1B、EGFR、TLR4、HIF1A、HMOX1、CD34、SOD2、ABL1。
  
  表1 大枣潜在补血成分与基因靶点
  
  图1 PPI网络
  
  2.3 富集分析结果
  
  2.3.1 GO分析
  
  通过Web Gestalt的GO分析可知,大枣补血相关的52靶点涉及代谢过程、生物调节、刺激反应等12种BP和膜、膜封闭管腔、细胞外间隙等20种CC及蛋白结合、离子结合、核苷酸结合等15种MF(图2)。
  
  2.3.2 KEGG通路富集分
  
  通过Web Gestalt的KEGG通路分析获得HIF-1信号通路、PI3K-Akt信号通路等富集最显著的10条通路(图3)。
  
  2.4 核心机制网络分析
  
  国内外相关研究表明,在富集显著程度排名前10的KEGG通路中有3条通路与贫血的发生机制密切相关,造血细胞系通路主要调控造血干细胞通过自我更新、复制、定向分化成不同的血细胞系并进一步生成血细胞[5],HIF-1信号通路为红细胞生成和铁代谢的重要通路[26],PI3K-Akt通路可通过抑制细胞凋亡、调控细胞周期进而促进红细胞成熟[27-28],其余7条显著富集的KEGG通路与贫血的发生机制尚不明确,故可认为造血细胞系通路、HIF-1信号通路、PI3K-Akt信号通路为大枣补血的3条核心通路。该3条核心通路与大枣的13个有效成分和19个大枣潜在靶点直接相关,但大枣补血PPI网络表明靶点间存在广泛的相互作用关系,故可预测大枣的15个有效成分、52补血靶点与3条核心通路构成的关系网络为潜在的大枣补血核心机制网络(图4)。
  
  图2 GO富集条目柱状图
  
  3 结论
  
  本研究根据中医血虚证与现代医学的贫血相似性,运用贫血疾病分子机制来探讨大枣的补血机制,为传统药物、食材功效或保健功能的机制研究提供研究思路。本研究应用网络药理学方法以可视化网络图的方式直观展显了包含了荷叶碱、原卟啉、环磷酸腺苷等15个有效成分和IL6、TNF、IGF1等52个补血靶点及造血细胞系通路、HIF-1信号通路、PI3K-Akt信号通路的多成分、多靶点、多通路调控的潜在大枣补血核心机制网络,为进一步开展大枣补血机制研究及大枣相关药物、保健食品的研发提供科学依据。
  
  图3 显著富集的KEGG通路
  
  图4 大枣补血核心机制网络图
  
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