基于网络药理学和分子对接探究山楂治疗高脂血症的作用机制.pdf

基金项目:河北省重点研发计划项目(.)作者简介:何明媚女硕士生研究方向:中药分析:.通信作者:潘海峰女硕士教授硕士生导师研究方向:中药分析与中药质量控制:.基于网络药理学和分子对接探究山楂治疗高脂血症的作用机制何明媚高静云贺美婷潘海峰(承德医学院河北省中药研究与开发重点实验室河北 承德)摘要:目的 运用网络药理学和分子对接技术探究山楂治疗高脂血症的作用机制 方法 通过、和 数据库以及文献补充获得山楂的有效成分及其对应的靶点 通过、和 数据库收集高脂血症的相关靶点并对交集靶点进行 和 富集分析 再利用 、.软件对主要成分与靶点进行分子对接 最后通过 数据库收集高脂血症的组织分布信息数据处理后利用 .软件将结果可视化 结果 通过网络药理学分析获得 个山楂的有效成分其中 个活性成分与山楂治疗高脂血症相关 成分疾病靶基因中的 个交集基因在心脏、肝脏、肺、全血、骨骼肌、前列腺和甲状腺中表达情况良好 关键靶点有 个包括丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶()、肿瘤坏死因子()和白细胞介素()等 富集分析得到 条通路包括脂质和动脉粥样硬化通路、流体剪切应力与动脉粥样硬化通路和 通路等 分子对接结果显示山楂的主要成分与关键靶点具有良好的结合能力 结论 网络药理学研究表明山楂治疗高脂血症是通过多成分多靶点多通路共同实现的为后期山楂治疗高脂血症的研究提供参考关键词:网络药理学分子对接组织分布山楂高脂血症中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():./()()().药学研究 .:高脂血症()常被称为高血脂医学上也称为血脂异常()通常指血浆中甘油三酯()和(或)总胆固醇()升高包括低密度脂蛋白胆固醇()升高和高密度脂蛋白胆固醇()降低 分为原发性和继发性两类 原发性与先天和遗传有关是由基因缺陷参与脂蛋白转运和代谢的受体、酶或载脂蛋白异常或由环境或未知因素引起继发性多发生于代谢性紊乱疾病(糖尿病、高血压等)或与年龄、饮食、精神、情绪活动等其他因素有关 临床上表现为真皮内脂质沉积引起的黄色瘤和脂质在血管内皮沉积引起的动脉硬化 目前现代医学治疗 的药物以降低 和 为主的有他汀类和树脂类以降低 为主的有贝特类和烟酸类 这几类西药都有一定的降脂作用但对于一些不耐受降脂药的患者长期服用后可能会出现肌肉疼痛或肝肾损伤甚至死亡 相比西药中药在改善高脂血症方面有一定优势中医治疗高血脂的药物如山楂、茯苓、丹参和泽泻等副作用较小对人体的损害相对减少 随着现代医学的进步中医中药在调节血脂方面的作用日益突出中药治疗高脂血症的研究也备受关注山楂()蔷薇科山楂属分布于河北、山东、河南等地 性味酸甘微温具有降血脂、降血压、强心和抗心律不齐等作用也是健脾、开胃、消食、活血化痰的良药对胸膈脾满、血淤、闭经等症状有很好的疗效 山楂中的有效成分有机酸、黄酮是其发挥药理作用的重要物质基础能抑制肝脏胆固醇的合成促进肝脏对血浆中胆固醇的吸收从而起到降血脂的作用 研究发现山楂黄酮可显著降低实验性高血脂动物的、和载脂蛋白的浓度显著升高 和载脂蛋白浓度但对 影响较小 山楂黄酮还可降低动脉粥样 硬 化()发 生 的 风 险 起 到 预 防 的作用网络药理学是在系统生物学理论的基础上通过网络对生物系统进行分析选择特定信号节点进行多靶点药物分子设计的一门新兴学科 分子对接是通过受体的特征以及受体和药物分子之间相互作用的方式来进行药物设计主要研究分子间(如配体和受体)相互作用并预测其结合模式和亲合力的一种理论模拟方法 本文基于网络药理学采用分子对接技术探究山楂治疗高脂血症的作用机制为后续山楂治疗高脂血症的研究提供参考 材料与方法.山楂成分的收集和靶点预测以“山楂”或“”为检索词在、和 等数据库获得山楂所有的化学成分并去重再去除同分异构体 将筛选出的山楂的各个成分输入 数据库获得每个 成 分 的 结构导入 数据库预测出各个成分对应的靶点 最后利用 数据库将靶点基因进行标准化.高脂血症靶点的收集以“”为检索词分别在 和 数据库收集疾病的相关靶点并去重通过 数据库将靶点基因进行标准化.山楂高脂血症交集靶点的收集 取山楂和高脂血症的共同靶点作为山楂治疗 的潜在靶点利用 .在线工具绘制韦恩图.网络的构建与核心靶点的收集将交集靶点导入 数据库设置物种为“”最低相互作用评分设为.删除游离节点获取 网络图将其 文件导入 .软件 使用 .插件进行网络拓扑分析选取两轮操作均满足大于度中心性“”、接近中心性“”和介数中心性“”这 个参数的节点作为关键靶点构建关键靶点的网络拓扑图 将准备 好 的 成 分 靶 点 的 数 据 与 属 性 文 件 导 入.软件构建成分 靶点的网络拓扑图.生物过程和 信号通路富集分析将山楂高脂血症交集基因提交到 数据库选择物种为智人“”进行 和 富集分析获得生物过程()、细胞成分()、分子功能()和关键信号通路的富集信息借助微药学研究 .生信网站绘制相关分析图.分子对接验证将与山楂防治 相关的 个活性成分和 个关键靶点进行分子对接 从、数据库获取受体蛋白和配体的结构文件通过阅读相关文献选择合适的受体蛋白运用 、.软件对受体蛋白和小分子配体进行预处理获得相应的 文件 确 定 活 性 口 袋 位 置 设 置 对 接 参 数 运 行.软件进行分子对接 通过 软件将对接结果可视化获得相应的对接结果模式图.基因在正常人体的组织分布情况 通过 数据库收集山楂高脂血症靶基因中的 个交集基因在正常人体组织的分布信息计算各组织器官表达量的平均值和平均值的中位值筛选大于中 位 值 的 组 织 器 官 分 析 处 理 数 据 利 用.软件绘制交集基因在与 相关组织器官上的分布图 结果.确定山楂有效成分和靶点、和 等数据库中检索到山楂所有的化学成分 个去除重复项和同分异构体后筛选出有效成分 个(见表)通过 数据库获得各个成分的 结构用 数据库预测出各个成分对应的靶点并将其标准化即将蛋白质名称()统一为基因名得到 个与山楂化学成分相关的基因表 山楂的有效成分编号英文名成分编号英文名成分槲皮素 香茅醛 亚油酸 樟脑酸二甲酯 绿原酸 圣草酚葡萄糖苷蔗糖 丙位癸内酯 丁二酸 软脂酸 柠檬酸 亚麻酸麦角甾醇 乙酸亚油酯 熊果酸 甲苯金丝桃苷 甲基环己烷 去氢齿孔酸 甲基正壬基甲酮 齿孔菌酸 海葱次苷 羊毛甾醇 芦丁齿孔醛 黄夹次苷丙齿孔二醇 硬脂酸()麦角甾()四烯酮 苏齐内脂 阿里红酸 牡荆素 阿里红酸 连翘环己醇 阿里红酸 连翘环己醇苷 苦白蹄酸 连翘环己醇苷 丙基环己烷 柠檬酸盐三甲基环己烷 苹果酸邻二甲苯 草酸乙基二甲氧基咔啉 乙基环己烷三甲基己烷三甲基环己烯甲醛 乙基 二甲基戊烷 乙基甲基苯庚醇 丙烯基环己烷甲基环戊酮 甲基 环 戊二醇甲基庚烷 庚烷 ()三甲基双环()庚烯 山楂酸甲基组氨酸 肌酸药学研究 .表 (续)编号英文名成分编号英文名成分甲基环己酮 甲 基 丁 烯 酸乙酯乙酰胆碱 甲基苄基醚丁基环己烷 牡荆素葡萄糖苷 咖啡酸 连翘环己醇酮 咖啡酸二甲醚.确定高脂血症靶点检索“”在 和 数据库中搜集所有与 相关的靶基因删除重复基因后得到 个再用 数据库将基因标准化.获得山楂高脂血症交集靶点及韦恩图 个 靶点与山楂活性成分的 个靶点取交集得到 个交集基因即山楂治疗 的潜在作用靶点使用 .在线工具绘制成分疾病靶点韦恩图(见图)图 成分靶点韦恩图.构建 网络与核心靶点 将 个交集靶点导入 数据库分析得到 蛋白互作网络筛选出 个关键靶点绘制其网络拓扑图(见图)图中节点代表靶点连线表示节点之间的关系连线越多靶点关系越密切靶点大小随度值大小而变化度值越大节点越大与山楂治疗 的相关性越大由关键靶点的网络拓扑图可知、和 等基因可能与治疗 高度相关 将成分靶点的数据与属性文件导入 .软件绘制成分靶点的网络拓扑图(见图)通过构建 网络得到 个化学成分与 个交集靶点有连线即这 个成分与治疗 有关(见表)图中成分节点随度值大小而改变成分的度值越大和 的关联就越密切根据成分靶点网络拓扑图和表 槲皮素、亚油酸等可能是山楂治疗 的核心成分.生物过程和 信号通路富集分析 通过 数据库进行 和 富集分析 分析得到 个生物学过程、个细胞组分和 个分子功能 根据富集度()的数值分别选择前 个生物学过程细胞组分和分子功能通图 关键靶点网络拓扑图过微生信网站绘制 、三合一柱状图(见图)研究表明富集度数值越大该 越易受到实验因素的影响 生物学过程包括正调控 聚合酶 启动子转录、正调控基因表达和信号转导等方面细胞组分有质膜、细胞溶质、细胞质和细胞核等分子功能包括蛋白结合、结合和锌离子结合等方面 结合柱状图可以看出对药物的反应、正调控基因表达和蛋白磷酸化等生物学过程膜、细胞外间隙、胞外区和胞外外泌体等细胞组分 聚合酶 转录因子活性配体激活序列特异性 结合、酶结合和序列特异性 结合等分子功能在各范围内的富集度数值较高可能对治疗 产生较大影响 富集分析得到 条通路根据 值和 值选择前 个信号通路通过微生信平台绘制气泡图(见图)研究表明(值)越大 值越小该通路的作用越显著 结合气泡图圆点由绿色向红色过渡 值逐渐较小颜色越红的圆点代表的通路表示该通路在治疗 中的作用可能比较明显该通路上靶基因富集程度越高 值表示在该条通路上富集的基因数 越大该通路上富集的基因数越多 富集显著的通路有脂质和动脉粥样硬化通路()、癌症通路()和糖尿病并发症中的 信号通路等药学研究 .表 山楂治疗 的有效成分编号英文名成分槲皮素 亚油酸 绿原酸蔗糖 柠檬酸麦角甾醇 熊果酸金丝桃苷 去氢齿孔酸 齿孔菌酸羊毛甾醇齿孔醛 阿里红酸 阿里红酸 阿里红酸 苦白蹄酸 乙基二甲氧基咔啉庚醇甲基环戊酮甲基环己酮 咖啡酸 咖啡酸二甲醚香茅醛 樟脑酸二甲酯圣草酚葡萄糖苷癸内酯 软脂酸 甲基正壬基甲酮 海葱次苷 黄夹次苷丙 硬脂酸苏齐内脂 连翘环己醇苷 连翘环己醇苷 甲基环戊二醇图 成分靶点网络拓扑图.分子对接验证 将山楂的 个关键靶点与治疗 的 个主要活性成分进行分子对接得到分子对接的最低结合能(见表)研究表明低于图 、三合一柱状图图 信号通路气泡图.的对接亲和力分数是表明化合物与其靶基因之间存在强结合相互作用的标准亲和力分数小于.的分子对接结果表现为良好 本文的对接结果显示除了 与蔗糖对接结果较差结合能小于.其余的配体和受体对接结果良好 对接结果表明山楂的主要活性成分对治疗 的关键靶点有一定的调控作用 通过 软件对对接结果进行处理得到了分子对接模式图(见图)其中蓝色部分是与氢键连接的氨基酸残基旁边数字标注为氨基酸名称黄色部分为氢键旁边数字标注为氢键长度.基因在正常人体的组织分布利用 和.软件绘制出山楂高脂血症的交集基因在人体组织分布图(见图)以基因在组织器官中的表达量大于其平均值的一倍中位值为标准筛选出心脏、肝脏、肺、全血、骨骼肌、前列腺、甲状腺和肾脏等可能与山楂治疗 相关性大的组织器官 通过柱状图可知 个交集基因中有超过 个基因在心脏、肝脏、肺、全血、骨骼肌、前列腺和甲状腺中说明山楂的有效成分可能通过这几个组织器官发挥作用来治疗 的 而肾脏上富药学研究 .集的基因数量较少仅有 个说明基因在肾脏上的表达情况不是很好表 分子对接结果 编号配体受体编号亲和力/槲皮素().亚油酸().海葱次苷().蔗糖().金丝桃苷().乙基二甲氧基咔啉().图 部分分子对接模式图图 山楂高脂血症交集基因的组织分布图图 山楂高脂血症交集基因的组织分布柱状图 讨论与结论本文通过网络药理学和分子对接技术分析了山楂的活性成分探究了山楂治疗 的靶点蛋白和关键通路之间的联系初步探讨了山楂治疗 的作用机制 本文共收集 种山楂的活性成分 种与治疗 有关其中槲皮素、亚油酸和阿里红酸等药学研究 .化合物度值较高与治疗 相关性较大 槲皮素是一种黄酮类化合物具有降血脂、抗氧化和抗炎等多种药理作用可以降低主动脉和肝脏组织的脂质水平降低肝脏中总胆固醇和甘油三酯水平能调节血脂代谢抑制肝脏脂肪沉积从而对 起到防治作用 亚油酸作为一种不饱和酸能与胆固醇结合形成酯通过降低体脂含量、肝脏中低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白和甘油三酯的水平来治疗 山楂的有效成分与 的 个交集靶点在心脏、肝脏、肺、全血、骨骼肌、前列腺和甲状腺等组织器官的表达情况良好说明山楂治疗 可能是通过这几个组织器官发挥作用 通过 网络分析筛选出 个治疗 的关键靶点有白细胞介素()、肿瘤坏死因子()、苏氨酸/丝氨酸蛋白激酶()、过氧化物酶体增殖物激活受体的编码基因()和内皮一氧化氮合成酶()等 有研究表明蛋白激酶()在许多组织中均有表达是 通路中的关键靶点 是 的一种亚型能够参与细胞代谢、生长、增殖、胰岛素信号传导、血管生成以及和 相关的多种生物学过程 可以参与精氨酸和脯氨酸的代谢催化一氧化氮()的生成 作为一种内皮舒张因子可使血管舒张调节血流抑制血管平滑肌细胞增殖抑制血小板和白细胞的黏附参与多种疾病的病理生理过程 山楂的有效成分在脂质与动脉粥样硬化形成过程中能够上调 协同(胞内磷脂酰基醇基酶)和 参与细胞凋亡、细胞增殖以及血脂调节的过程从而发挥治疗 的作用 研究发现 和 为重要的促炎因子与 密切相关它们能够促进脂肪细胞凋亡抑制脂肪细胞分化与合成刺激脂肪细胞脂质加速分解导致胰岛素抵抗促进动脉粥样硬化增加患 的可能 是脂质代谢调控网络中一类转录因子 的其中一种亚型可以通过与特异 序列结合调控多种基因的转录李涛等研究发现 表达的增加同时还能抑制炎症因子在脂质的分解代谢方面尤为重要能够促进脂肪细胞摄取脂肪酸进而影响脂肪细胞中甘油三酯的生成 山楂的活性成分能够富集到与、和 等基因相关的通路上通过增加 的表达激活相应的调控因子促进脂质代谢降低血脂同时下调 和 抑制炎症发生调节血脂从而达到治疗 的目的体现了山楂治疗 多成分、多靶点、多通路协同作用的特点为后期治疗 的临床实验验证提供参考参考文献:张依娜邹远荣乔佳欣等.沙棘叶治疗高脂血症的药效物质基础.中国实验方剂学杂志():.罗雪霞王思敏陈紫航等.基于网络药理学探讨五苓散防治高脂血症的作用机制.包头医学院学报():.刘学贵李知明刘长风等.基于网络药理学探讨山楂叶抗高脂血症的作用机制及初步验证.食品工业科技():.赵志滨李李陈欣燕等.基于数据挖掘的中药复方治疗血脂异常的组方规律及作用机制研究.中国医药导报():.鞠爱霞周育生单万亭等.泽泻汤对高脂血症模型小鼠 酶亚型的影响 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