基于网络药理学和分子对接技术探讨枸杞子治疗2型糖尿病的作用机制.pdf

644基于网络药理学和分子对接技术探讨枸杞子治疗2型糖尿病的作用机制沈阳医学院学报Journal of ShenyangMedical College第2 5卷第6 期2 0 2 3年11月大学生科技园地徐嘉巍，王喜燕#，李瑞平，张越2（1.沈阳医学院公共卫生学院预防医学专业学生，辽宁沈阳110 0 34；2.职业卫生学教研室）摘要目的：基于网络药理学和分子对接技术探讨枸杞子治疗2 型糖尿病的机制。方法：利用TCMSP和Uniport数据库查询枸杞子的成分和靶点，Cytoscape3.7.2软件构建“药物成分-疾病-靶点”网络图；DisGeNET、G e n e Ca r d s 检索2 型糖尿病的靶点，筛选出药物与疾病交集靶点，绘制交集靶点韦恩图；String数据库对交集靶点构建PPI网络。Metascape数据库对靶点进行GO和KEGG信号通路富集分析。另外对核心靶点和枸杞子的成分进行分子对接，验证活性成分与核心靶基因的结合能力。结果：通过筛选枸杞子成分有45个，潜在靶点19 4个。2 型糖尿病靶点318 2 个。将筛选出来的皮素靶点、枸杞子靶点与疾病靶点，运用Venny2.1软件获得共同靶点10 1个。GO分析主要涉及氧化应激、脂多糖、药物反应和凋亡等。KEGG通路分析富集在癌症、脂质及动脉粥样硬化、AGE-RAGE等信号通路。分子对接结果显示，枸杞子的活性成分与核心靶点的分子对接亲和力均-5kcal/mol（1k c a l/m o l=4.18 6 k J/m o l)，表明结合活性好。结论：本研究基于网络药理学和分子对接技术探讨了枸杞子治疗2 型糖尿病的作用机制，预测结果将有助于阐明枸杞子活性成分作为糖尿病用药的机理，但还需要更多的药理实验验证。【关键词枸杞子；2 型糖尿病；榭皮素；分子对接【中图分类号】R587.1【文献标识码A【文章编号10 0 8-2 344(2 0 2 3)0 6-0 6 44-0 5doi:10.16753/ki.1008-2344.2023.06.019The mechanism of Fructus lyci in the treatment of type 2 diabetes mellitus based on network pharmacologyand molecular docking technologyXU Jiayit,WANG Xiyan,LI RuiPing,ZHANG Yue2(1.Undergraduate Majoring in Preventive Medicine,School of Public Health,Shenyang Medical College,Shenyang 110034,China;2.Department of Occupational Health)Abstract Objective:To explore the mechanism of Fructus lyci in the treatment of type 2 diabetes mellitus(T2DM)based on network pharmacology and molecular docking technology.Methods:The effective components and targets of Fructuslycii were screened using TCMSP and Uniport databases,and the drug components-disease-targets network map wasconstructed using Cytoscape3.7.2 software.DisGeNET and GeneCards databases were used to screen the targets of T2DM.Andthe common targets of drug and disease were obtained by Venny software.Protein-protein interaction(PPI)analysis of commontargets was performed using String database.Metascape database was used for GO and KEGG analysis of common targets.Molecular docking was performed to verify the binding ability of active components to core targets.Results:There were 45active components and 194 predicted targets in Fructus lyci.There were 3 182 targets for T2DM.And 101 common targets ofquercetin,Fructus lyci and T2DM were obtained by Venny software.GO analysis mainly involved oxidative stress,lipopolysaccharide,drug reaction and apoptosis.KEGG pathway analysis was enriched in Pathways in cancer,Lipid andatherosclerosis and AGE-RAGE signaling pathway.Results of molecular docking showed that the molecular docking affinitybetween the active components of Fructus lycii and the core targets were all 0.9 0 0）”，其它参数保持默认设置，获得结果可信度较高的重要基因靶点蛋白的互作关系。并将其导人Cytoscape3.7.2软件，根据节点的Degree值筛选出核心靶点。1.5富集分析运用Metascape数据库（http：/metascape.org）对枸杞子和T2DM的交集靶点进行GO功能分析、KEGG信号通路富集分析。GO是注释基因及其表达产物的常用方法，由3部分组成，分别是生物过程（BP）、细胞组成（CC）和分子功能（MF）。通过信号通路富集分析预测枸杞子作用于T2DM发生改变的关键信号通路。1.6分子对接技术验证选取关键成分-疾病-枸杞子网络中连接度（degree）位于前5的靶点，反向寻找这些靶点对应的枸杞子成分6 。为了验证预测的可靠性，通过PubChem数据库下载成分的结构，核心靶蛋白的PDB格式从PDB数据库（h t t p s：/w w w.r c s b.o r g/）下载，将成分及靶点结构通过AutoDock软件进行加氢、计算电荷处理，利用Open Babel GUI 软件将对接结果的-pdbqt格式转化为.pdb格式7 。使用PyMol软件对结果进行可视化，建立对接交互模式。2结果2.1化合物成分及靶点预测在TCMSP数据库中，根据OB值及DL值的筛选后，经过筛选除去重复化合物后，得出45个成分，并对其进行靶点预测，利用Uniport转换，得到19 4个靶点。2.2T2DM靶点的预测以“Diabetes Mellitus,Non-Insulin-Dependent”为关键词筛选，在Dis-GeNET、G e n e C a r d s 数据库分别检索出2 2 11、9 7 1个靶点，共得到318 2 个靶点。其中疾病关键靶点与皮素的共同靶点最多，表明在枸杞子治疗T20M中皮素发挥了重要作用，是枸杞子的关键成分，见图1。T2DM相关的靶蛋白中与枸杞子成分取交集分布最广泛的靶点是孕激素受体（progesteronereceptor，PG R)，其次依序是核受体共激活因子2(nuclear receptor coactivator 2，NCO A 2)，核受体亚家族3，群C，成员2（nuclearreceptor subfamily3，g r o u p C，m e m b e r 2，NR3C 2)，前列腺素H2646合成酶2（Prostaglandin-Endoperoxide Synthase 2,PTGS2），前列腺素H2合成酶1（prostaglandin-en-doperoxide synthase 1,PTGS1)。TP53MAPK3PPARG1L6INS黑色为皮素与疾病的对应关键靶点图1疾病关键靶点2.3构建药物成分-疾病-靶点网络将筛选出来的皮素靶点、枸杞子靶点与疾病靶点，运用Venny2.1绘制韦恩图，获得共同靶点。见图2。利用Cytoscape3.7.2软件创建可视化网络，见图3。左侧为枸杞子成分，右侧为疾病靶点，中间为疾病T2DM，连线为化合物和靶点间的关系。根据成分进行degree排序，degree值越高成分越重要，其中皮素的degree分值最高为105，远高于评分第二（degree=18）的-谷笛醇(beta-sitosterol)。沈阳医学院学报Journal of Shenyang Medical CollegeSRCTNFIL1BSTAT3JUNGAPDHFNIAKT1EGFRCTNNB1ACTBCD4CASP3ALBe第2 5卷第6 期2 0 2 3年11月VECFA图3成分-疾病-靶点网络图2.4PPI网络的构建将三者的共同靶点导入String数据库，根据设定条件得到PPI网络，该网络中有10 1个节点，2 8 2 条边，平均度值5.58，平均局部聚类系数为0.438。运用Cytoscape3.7.2，导入节点信息，利用cytoHubba工具根据degree筛选排序，筛选出前10 个关键靶点，见图4。排名依次为TP53（d e g r e e=48），JU N（d e g r e e=48），RELA（d e g r e e=42)，A K T 1(d e g r e e=42)，M A PK 1(degree=38)，T NF（d e g r e e=36)，IL-6 （d e g r e e=36)，FO S（d e g r e e=32），CA V1（d e g r e e=30），RXRA(degree=30)。RXRAAKT1MAPK1CAV12.5?GO富集分析Metascape数据库以P0.01TP53榭皮素枸杞子4225(o)(2)101(2.9%)(0%)3255(94.4%)T2DM图2 关键成分（皮素）枸杞子-疾病（T2DM）预测靶点交集的Venny图TNFRELAFOSIL6(0.7%)JUN图4关键靶点（前10）26(0.8%)对结果进行筛选，对10 1个交集靶点进行GO功能富集分析。将P值按照升序排列后可以发现：枸杞子治疗T2DM的作用靶点涉及大量不同的生物学过程，其中CC为3个，MF为31个，BP为2 411个，以校正后P为标准升序选取BP、CC、M F前10 条作图，见图5。生物学过程主要集中在对无机物质的反应（response to inorganic substance)、对活性氧的反应（response to reactive oxygen species）、沈阳医学院学报Journal of ShenyangMedical College第2 5卷第6 期对氧化应激的反应（response to oxidative stress）等，细胞组成主要集中在细胞外基质（extracellularmatrix）、外部封装结构（external encapsulatingstructure）、含胶原蛋白的细胞外基质（collagen-containing extracellular matrix）等，分子功能主要集中在血红素结合（heme binding）、氧化还原酶活性（oxidoreductaseactivity）、四吡咯结合(tetrapyrrole binding）等。BP30CCMF2520June15105Bie图5枸杞子治疗T2DM靶点GO功能富集分析图（前10 位）2.6KEGG通路富集分析在Metascape数据库以P0.01对结果进行筛选，对10 1个交集靶点进行KEGG通路富集分析，共得到7 5条信号通路，以校正后P为标准升序对前10 个结果进行可视化处理，月2 0 2 3年11月见图8。通路主要富集在癌症信号通路（Pathwaysin cancer）、脂质和动脉粥样硬化（Lipid andatherosclerosis)、糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路（AGE-RAGE signaling pathway in diabeticcomplications）等，见图6。AGE-RAGEsignaling pethway in diabetic oompliceationsFluid shearstress and atherosclerosisIL-17signaling pathwayProstalecancerTNFsikgnaling peathwayLipidandatheroscleroslsHepatitis BChemicalcarcinogenesis-receploractivalionChemicat carcanogenesis-reactive oxygen speclesPathways in.oancer图6 枸杞子治疗T2DM靶点KEGG富集分析的气泡图（前10 位）2.7分子对接技术分析将枸杞子排名前2 位的成分及前5位靶点进行分子对接，通过结合能评估配体和受体的结合能力，结合能小于0 表示配体与受体能够自发结合，值越小表示结合活性越高，成分越容易与受体结合。分析发现，皮素与TP53、JU N、RELA、A K T 1、M A PK 1，-谷笛醇与JUN的结合能均小于-5 kcal/mol（1 k c a l/m o l=4.186kJ/mol)，表现为较强的结合活性【8 见图7。647-log10(pvabue)40383025count20253035400.100.15enrichmentO.200.25ABCTYR-126ASP-1084.41737EDG-38L1532.1M106A:AKT1与皮素对接过程;B:TP53与皮素对接过程;C:RELA与皮素对接过程；D:MAPK1与皮素对接过程;E:JUN与-谷笛醇对接过程图7 分子对接三维图L161648.3讨论T2DM是一种常见的慢性代谢性疾病，患病率较高。据估计，在未来的10 2 0 年间，糖尿病患者数量将显著增加至7 亿9-1，给社会带来巨大的经济负担。心力衰竭、心血管事件和糖尿病肾病等并发症常伴随T2DM的发生，免疫功能低下是几乎所有类型糖尿病的共同特征12-15。因此，研究人员正在探索预防和治疗T2DM的有效药物。由于中医药具有多靶点、多成分、低毒的特点，在糖尿病的治疗中越来越受欢迎。因此，阐明中药方剂的药理机制至关重要。中药的有效成分和靶点可以通过网络药理学优先预测【16。本研究通过网络药理学方法预测了枸杞子治疗T2DM的生物活性成分和作用机制。本研究运用网络药理学方法分析枸杞子的活性成分，构建药物成分-疾病-靶点网络图，并利用分子对接技术进行验证。枸杞子的主要成分是皮素。皮素作为植物界中分布最广的一种黄酮类化合物，在流行病学调查中被报道具有很好的功能，包括降低T2DM的风险，这种潜在的抗糖尿病作用在体内体外的实验研究中均被发现17。本研究得出枸杞子、T2DM、关键成分的交集靶点有10 1个，根据degree值筛选出10 个核心靶点。C-Jun氨基末端激酶（c-Jun amino terminalkinase，JNK）是一种炎症激酶。JNK的激活与肥胖诱导的胰岛素抵抗和代偿性胰岛素分泌减少有关。研究发现，TP53与糖尿病有关。高脂饮食引起的代谢应激可以激活TP53，最终触发T2DM的细胞衰老或胰岛素抵抗【18。Akt的关键作用之一是调节胰岛素反应葡萄糖摄取，这是由胰岛素调节的葡萄糖转运体4（GLUT4）从囊泡内室转移到质膜介导的，Akt在这一过程中发挥的关键作用已被确认19。Akt1 是一种重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在调节胰岛素或胰岛素样生长因子、神经元生存和促进细胞的生存中发挥关键作用，以影响各种生长因子2 0。MAPK1是ERK信号通路的重要组成部分，ERK活性的抑制降低了小胶质神经炎症分子的产生，如白介素-1，因此，抑制ERK信号通路的激活也是一种新的治疗胰岛素抵抗和T2DM的策略2 1。实验证明缺乏AKT2（一种富含肌肉和肝脏的AKT亚型）的小鼠具有胰岛素抵抗、高血糖和高胰岛素血症2。本研究通过KEGG通路富集分析的结果显示，枸杞子治疗T2DM主要富集在癌症通路、AGE-RAGE通路、流体剪切力及动脉粥样硬化通路等。AGE-RAGE信号通路在血管并发症的发生沈阳医学院学报Journal of ShenyangMedical College?第2 5卷第6 期2 0 2 3年11月中起着关键作用。晚期糖基化终末产物（AGEs）的形成和积累随着循环葡萄糖以及其他还原糖（如半乳糖和果糖）的增加而加速，随后AGEs与其受体RAGE相互作用至信号级联，刺激NAD（P）H 氧化酶并增加活性氧。此外在本研究中还发现PGR、NCOA2、NR3C 2、PT G S2、PT G S1等靶点在枸杞子的各个成分中分布较为广泛，需要进一步的研究。综上所述，本研究基于网络药理学和分子对接的方法，初步分析了枸杞子多成分、多靶点、多通路复杂机制。研究发现枸杞子的主要成分是皮素，枸杞子治疗T2DM的作用机制涉及氧化应激、化学刺激等，作用的主要通路有AGE-RAGE通路、流体剪切力及动脉粥样硬化通路、癌症通路等。本研究表明，网络药理学和分子对接分析有助于更好地了解枸杞子活性成分和靶点作为治疗T2DM的潜在治疗方法和机制，这为今后的实验研究及临床应用提供了新的理论支撑。参考文献：1王馨苑，黄夏冰，邓鑫.基于网络药理学和分子对接探讨黄连素治疗2 型糖尿病机制研究J.中国新药杂志，2 0 2 0，2 9(24):2820-2831.2 Yin B,Bi YM,Fan GJ,et al.Molecular mechanism of theeffect of Huanglian Jiedu Decoction on type 2 diabetes mellitusbased on network pharmacology and molecular docking 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