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        錦燈籠抗炎活性成分作用機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究

        2018-10-22 10:09:08楊麗軍王丹丹吳紅杰陳大忠
        關(guān)鍵詞:分析

        楊麗軍,王丹丹,吳紅杰,陳大忠

        (黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院,哈爾濱 150040)

        錦燈籠為茄科植物酸漿 [Physalis alkekengi L.var.franchet ii(Mast.)Makino]的干燥宿萼或帶果實(shí)的宿萼。2015版《中國藥典》收載,具有清熱解毒,利咽化痰等功效,主要用于咽痛音啞、痰熱咳嗽等癥狀,是常用的清熱解毒藥[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,錦燈籠具有抗炎的作用[2-4]。然而炎癥發(fā)生的發(fā)病原因和發(fā)病機(jī)制比較復(fù)雜,而中藥錦燈籠的化學(xué)成分復(fù)雜,目前對(duì)錦燈籠抗炎作用機(jī)制尚未完全闡明。通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究理念,借助網(wǎng)絡(luò)分析方法篩選錦燈籠中的活性成分,并構(gòu)建藥物分子靶點(diǎn)-疾病之間的相互作用關(guān)系,實(shí)現(xiàn)活性成分與機(jī)體內(nèi)靶點(diǎn)及效應(yīng)分子的完美對(duì)接,系統(tǒng)解析并可視化中藥多成分-多靶點(diǎn)-多通路的相互作用關(guān)系,為更全面的研究中藥的藥理作用、作用機(jī)制及拓展新適應(yīng)癥提供新的思路[5-6]。

        1 材料與方法

        1.1 錦燈籠活性成分的篩選及sdf-mol格式的建立 通過中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺(tái)TcmSP、TCMPTD和TCMDatabase@Taiwan[7]數(shù)據(jù)庫,分別檢索錦燈籠的化學(xué)成分,根據(jù)里賓斯基五原則結(jié)合口服吸收利用度(OB)≥30%,類似藥(DL)≥0.18與相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的成分結(jié)合,將收集到小分子化合物最終統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)到TcmSP數(shù)據(jù)庫。從CA S數(shù)據(jù)庫中確定活性成分的化學(xué)結(jié)構(gòu),在Chembiodraw Ultra 12.0軟件中畫出各自的結(jié)構(gòu)圖。

        1.2 潛在作用靶點(diǎn)反向預(yù)測(cè) 登陸PharmMapper平臺(tái),上傳錦燈籠活性成分,采用反向分子對(duì)接技術(shù),以活性小分子為探針,搜尋其活性成分潛在的作用靶點(diǎn),匹配結(jié)果根據(jù)z'-score排序,取前30名(10%),并使用Uniprot數(shù)據(jù)庫對(duì)蛋白分子名稱進(jìn)行校正。在藥物信息數(shù)據(jù)庫TTD和DrugBank數(shù)據(jù)庫中通過炎癥檢索相關(guān)靶點(diǎn)并篩選,與反向預(yù)測(cè)的靶點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,歸納總結(jié)出錦燈籠活性成分抗炎作用的潛在靶點(diǎn)。

        1.3 靶點(diǎn)通路注釋分析 通過MAS3.0生物分子功能注釋系統(tǒng)將獲得的錦燈籠活性成分抗炎作用的潛在靶點(diǎn)信息進(jìn)行GO富集分析和KEGG通路注釋分析,錦燈籠對(duì)應(yīng)的靶蛋白(基因)直接映射到通路上,則靶點(diǎn)富集的通路確定為藥物活性成分對(duì)代謝通路的信號(hào)調(diào)控發(fā)揮藥效的途徑。

        1.4 錦燈籠活性成分-靶點(diǎn)-通路-疾病網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 采用Cytoscape 3.4.0分析軟件的匹配功能,將預(yù)測(cè)的錦燈籠抗炎作用靶點(diǎn)導(dǎo)入,建立錦燈籠活性成分-靶點(diǎn)-代謝通路-疾病作用網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)代表錦燈籠活性成分、靶點(diǎn)、代謝通路和疾病,當(dāng)活性成分的作用靶點(diǎn)能對(duì)接到作用通路的靶點(diǎn)時(shí)則以邊的形式相連,即為錦燈籠中的某個(gè)活性成分或多個(gè)活性成分作用在同一作用靶點(diǎn)(通路)或多個(gè)靶點(diǎn)(通路)。通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),分析錦燈籠抗炎作用多成分、多靶點(diǎn)、多通路的作用機(jī)制。

        2 結(jié)果

        2.1 錦燈籠活性成分的篩選 在中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺(tái)TcmSP、TCM-PTD和TCMDatabase@Taiwan數(shù)據(jù)庫檢索到錦燈籠活性小分子,通過篩選結(jié)果發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道[8-9]中錦燈籠的主要藥效成分(如酸漿苦素等)被過濾掉,考慮到目標(biāo)化合物的選取原則,首先必須為錦燈籠的主要成分,最終確定錦燈籠的活性成分54個(gè)。平均相對(duì)分子質(zhì)量為284.48,氫鍵給體數(shù)目均值為0.84,氫鍵受體數(shù)目均值為2.0,見表1。

        表1 錦燈籠主要化學(xué)成分信息

        2.2 潛在作用靶點(diǎn)反向預(yù)測(cè) 通過PharmMapper平臺(tái)收集到的潛在作用靶點(diǎn),匹配結(jié)果根據(jù)z'-score排序,取前30名(10%)與TTD和DrugBank數(shù)據(jù)庫中檢索到的抗炎作用相關(guān)靶點(diǎn)對(duì)比分析,歸納總結(jié)出12個(gè)可能與錦燈籠抗炎作用相關(guān)的潛在作用靶點(diǎn)(蛋白或基因)。通過預(yù)測(cè)靶點(diǎn)的頻次發(fā)現(xiàn),在細(xì)胞過程中發(fā)揮重要作用的促分裂素原活化激酶14(MAPK14)、血清白和核受體 Rora(RORA)等是錦燈籠主要活性成分潛在靶點(diǎn)蛋白群,MAPK14、白蛋白(ALB)和RORA等是其潛在靶點(diǎn)基因群,見表2。

        表2 錦燈籠活性成分的潛在靶點(diǎn)信息

        2.3 靶點(diǎn)通路注釋分析 將錦燈籠活性成分預(yù)測(cè)出的12個(gè)作用靶點(diǎn)信息導(dǎo)入MAS.3.0生物分子功能注釋系統(tǒng),通過通路注釋和分析對(duì)靶點(diǎn)所在的通路進(jìn)行富集并整合各個(gè)通路中靶點(diǎn)富集程度,得到三條富集分支:生物過程、分子功能和細(xì)胞組分。通過GO分析探討錦燈籠預(yù)測(cè)靶點(diǎn)的功能分布,圖1為錦燈籠抗炎作用預(yù)測(cè)靶點(diǎn)的GO分析結(jié)果。其中預(yù)測(cè)靶點(diǎn)在生物過程中signal transduction、proteolysis、metabolism排列靠前;在分子功能中zinc ion binding、protein binding比例最大;在細(xì)胞組分中bind(cytoplasm、cytosol、extracellular region、nucleus)關(guān)系密切,見圖1。通過KEGG分析探討錦燈籠抗炎作用預(yù)測(cè)靶點(diǎn)的通路分布,見圖2。其中12個(gè)靶點(diǎn)參與的通路富集有GnRH signaling pathway、Leukocyte transendothelial migration、PPAR signaling pathway、Epithelial cell signaling in Helicobacter pylori infection、VEGF signaling pathway MAPK signaling pathway等16條,預(yù)測(cè)為錦燈籠抗炎活性成分潛在作用代謝通路。

        2.4 錦燈籠活性成分-靶點(diǎn)-通路-疾病網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 將MAS.3.0通路注釋得到的數(shù)據(jù),通過Cytoscape3.4.0軟件構(gòu)建錦燈籠活性成分作用靶點(diǎn)代謝通路-疾病網(wǎng)絡(luò)模型,如圖3所示。Network Analyzer結(jié)果顯示,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為86,網(wǎng)絡(luò)密度為0.043,網(wǎng)絡(luò)直徑為6,網(wǎng)絡(luò)半徑為4,網(wǎng)絡(luò)中心度為0.354、網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性:1.362,最短路徑為6 642,特征路徑長(zhǎng)度為3.023,平均網(wǎng)絡(luò)度為3.628。如圖3所示,從成分、靶點(diǎn)、通路的富集程度結(jié)合中節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)度分析,Cycloartanol、Cetene、Physalin D、Obtusifoliol、Beta-sitosterol、luteolin等甾體、甾醇、黃酮類化合物為錦燈籠抗炎的主要活性成分;MAPK14、ALB、RORA等為主要的潛在靶 點(diǎn) 基 因 ;Leukocyte transendothelial migration、GnRH signalingpathway為主要的代謝通路。錦燈籠中 Physalin B、Physalin D、Beta-sitosterol、Obtusifoliol等24種成分作用于MAPK14靶點(diǎn)基因上,且MAPK14靶點(diǎn)基因作用于GnRH信號(hào)通路、白細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移等9條代謝通路,同時(shí)Physalin D還作用于 HSP90AA1、MMP2、MMP8、NR3C1 靶點(diǎn)上,說明錦燈籠中存在不同活性成分共同作用同一靶點(diǎn)的現(xiàn)象,也存在一個(gè)化合物與多個(gè)靶點(diǎn)之間的作用關(guān)系,靶點(diǎn)與通路的關(guān)系同成分與靶點(diǎn),體現(xiàn)了錦燈籠多成分-多靶點(diǎn)-多通路相互協(xié)調(diào)、共同調(diào)節(jié)藥物作用機(jī)制。

        圖1 錦燈籠活性成分潛在靶點(diǎn)的生物過程(A)、細(xì)胞組分(B)、分子功能(C)的GO富集信息

        圖2 錦燈籠主要活性成分潛在靶點(diǎn)的KEGG通路注釋分析

        圖3 錦燈籠主要活性成分-靶點(diǎn)-通路-疾病的網(wǎng)絡(luò)模型

        3 討論

        研究采用“反向分子對(duì)接”的方法虛擬篩選成分,結(jié)合DrugBank和TTD抗炎作用分析發(fā)現(xiàn)12個(gè)錦燈籠抗炎相關(guān)靶點(diǎn),并對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行GO富集分析和KEGG通路注釋分析,確定16條生物過程的代謝通路,主要參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、一氧化氮生物合成的正調(diào)控、新陳代謝、蛋白水解等生物過程,與人體應(yīng)激反應(yīng)、脂質(zhì)代謝、類固醇代謝等生命活動(dòng)密切相關(guān),從而發(fā)揮抗炎效果[10]。本研究預(yù)測(cè)錦燈籠主要活性成分-靶點(diǎn)-通路-疾病的網(wǎng)絡(luò)中,從化合物的網(wǎng)絡(luò)特征來看54個(gè)活性小分子中節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)度大于2的有38個(gè)化合物,其中包括Luteolin、β-sitosterol等甾體、甾醇、黃酮類化合物。Chen等[11]研究發(fā)現(xiàn)Luteolin可以減少脂多糖(LPS)激活的巨噬細(xì)胞MH-S細(xì)胞產(chǎn)生的促炎因子(T NF-α、IL-6)和炎癥介質(zhì)NO、PGE2發(fā)揮抗炎活性。Luteolin在一定程度上與非甾體抗炎藥的作用機(jī)制重合,更有研究表明Luteolin可通過影響Toll-likereceptor signaling pathway下調(diào)免疫細(xì)胞中的NF-κB因子的活性,劑量依賴性的抑制LPS激活的小膠質(zhì)細(xì)胞中的促炎癥標(biāo)記物的表達(dá),從而抑制炎癥介質(zhì)的活動(dòng),達(dá)到抗炎的效果[12]。網(wǎng)絡(luò)模型中的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,錦燈籠可能主要通過MAPK14、MMP2等靶點(diǎn)調(diào)節(jié)發(fā)揮抗炎作用,而MAPK14是介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳遞的重要蛋白,最初被認(rèn)為是活化的免疫細(xì)胞巨噬細(xì)胞中檢測(cè)到的酪氨酸磷酸化蛋白,在炎癥細(xì)胞因子誘導(dǎo)中起重要作用,參與多種類型細(xì)胞的存活、凋亡、增殖分化過程,以及對(duì)環(huán)境的應(yīng)激適應(yīng)、炎癥反應(yīng)等生理過程[13]。結(jié)果中,MAPK14作用在Toll-like receptor signaling pathway、T cell receptor signaling pathway、Epithelial cell signaling in Helicobacter pyloriinfection等9條代謝通路,目前已經(jīng)證實(shí),MAPK14可通過作用激活的TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白。MMP2參與正常生理過程中的細(xì)胞外基質(zhì)的破壞,可以通過炎癥介質(zhì)參與炎癥反應(yīng)并進(jìn)行調(diào)節(jié),也可通過促進(jìn)VEGF動(dòng)員和產(chǎn)生抗血管生成因子在腫瘤內(nèi)血管生成中起重要作用[14-15]。PPARG在哺乳動(dòng)物脂肪形成中起重要作用,通過作用于過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,用于治療肥胖癥,動(dòng)脈粥樣硬化等癥狀[16]。總之,抗炎作用結(jié)合位點(diǎn)與錦燈籠干預(yù)靶點(diǎn)能體現(xiàn)在相同的分子網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上,通過成分與靶點(diǎn)及通路的相互作用,進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生物學(xué)功能,這也許就是錦燈籠抗炎作用的分子作用機(jī)制之一。

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