李玲玉,朱文卿,朱姍姍,張 利,張 鵬,鄭振佳,*
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東省高校食品加工技術(shù)與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安 271018;2.山東中平藥業(yè)有限公司,山東臨沂 273300)
糖尿病屬于內(nèi)分泌代謝紊亂疾病[1],國際糖尿病聯(lián)合會(huì)估計(jì)2019年全球有4.63 億糖尿病患者,預(yù)計(jì)到2045年全球糖尿病患者將達(dá)到7 億[2]。糖尿病可分I 型和II 型糖尿病,其中II 型糖尿病患者約占該病的90%[3],其發(fā)病原因主要是由于遺傳基因和不良的生活方式,尚無法根治[4]。II 型糖尿病可引起多種并發(fā)癥,導(dǎo)致血管受損并危及心、腦、腎等,嚴(yán)重危害人體健康,造成巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5?6]。目前對(duì)II 型糖尿病患者主要采取口服降糖藥物、皮下注射胰島素、飲食控制和運(yùn)動(dòng)鍛煉等方式調(diào)節(jié)血糖[7]。從天然植物中尋找安全性高、副作用小的潛在功能成分成為食品營養(yǎng)健康的研究熱點(diǎn)[8]。
咖啡酰奎寧酸類化合物是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物,具有抗氧化、抗菌消炎、降血糖、降血壓等多種生物學(xué)活性[9]。研究表明咖啡??鼘幩犷惢衔锬軌蛲ㄟ^改善胰島素抵抗及調(diào)節(jié)人體對(duì)葡萄糖的吸收起到降血糖的作用[10?11],可用于治療II 型糖尿病,但該類化合物治療II 型糖尿病的主要有效成分、作用靶點(diǎn)和作用機(jī)制尚不清楚。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、藥理學(xué)等多個(gè)學(xué)科,通過生物網(wǎng)絡(luò)模型分析活性成分-靶點(diǎn)-疾病間復(fù)雜的互作關(guān)系,可揭示活性成分與機(jī)體相互作用機(jī)制[12]。分子對(duì)接是依據(jù)酶的鎖-鑰匙原理,從已知結(jié)構(gòu)的化合物及蛋白出發(fā),通過計(jì)算機(jī)模擬、化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算,識(shí)別并預(yù)測(cè)受體-配體結(jié)合的方法,預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)[13?14]。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為研究藥用植物治療疾病多成分、多靶點(diǎn)、多途徑效應(yīng)機(jī)制提供了便利。本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,預(yù)測(cè)咖啡??鼘幩犷惢衔镒饔冒悬c(diǎn)及作用機(jī)制,為II 型糖尿病的臨床飲食干預(yù)治療提供參考依據(jù)。
通過PubChem 及ChemDraw Ultra 8.0.3 軟件獲取咖啡??鼘幩犷惢衔锏腟MILES 結(jié)構(gòu),將化合物的SMILES 結(jié)構(gòu)分別輸入SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫,獲取化合物的預(yù)測(cè)靶點(diǎn)信息。
通過Pubmed、Ctd、DrugBank 及Genecards 等數(shù)據(jù)庫檢索II 型糖尿病英文名“type II diabetes”,獲得與II 型糖尿病相關(guān)的作用靶點(diǎn),將所得靶點(diǎn)去除重復(fù)項(xiàng)后得到II 型糖尿病相關(guān)靶點(diǎn)。
將“1.1”所得咖啡??鼘幩犷惢衔飳?duì)應(yīng)靶點(diǎn)與“1.2”所得II 型糖尿病相關(guān)靶點(diǎn)進(jìn)行交集,得到交集靶點(diǎn),獲取咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用靶點(diǎn)。將交集靶點(diǎn)通過STRING 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建蛋白互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò),通過Cytoscape 構(gòu)建咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
借助WebGestalt 數(shù)據(jù)庫對(duì)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能分析,其包括對(duì)生物過程(biological processes,BP)、細(xì)胞組分(cell component,CC)及分子功能(molecular function,MF)的分析。利用Cytoscape軟件中的ClueGo 插件對(duì)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG 通路富集分析,選取富集基因數(shù)排名前20 的通路,通過omicshare 數(shù)據(jù)庫繪制氣泡圖。
采用AutoDock Vina 軟件對(duì)咖啡酰奎寧酸類化合物治療Ⅱ型糖尿病中前3 的靶點(diǎn)蛋白與關(guān)鍵成分進(jìn)行分子對(duì)接驗(yàn)證。通過RCSB PDB(http://www.rcsb.org/)數(shù)據(jù)庫獲取靶點(diǎn)蛋白晶體結(jié)構(gòu),再利用AutoDock 對(duì)接軟件對(duì)蛋白晶體結(jié)構(gòu)去水加氫、計(jì)算電荷、去除原配體,對(duì)配體分子通過Torsion Tree 進(jìn)行調(diào)整,運(yùn)用AutoDock Vina 軟件計(jì)算其對(duì)接活性位點(diǎn)、結(jié)合能及均方根偏差(RMSD),最后將對(duì)接結(jié)果進(jìn)行可視化分析。
咖啡酰奎寧酸類化合物是由奎寧酸和不同數(shù)目的咖啡?;ㄟ^酯化反應(yīng)縮合而成,根據(jù)咖啡?;Y(jié)合數(shù)目的不同,可分為單咖啡??鼘幩?、二咖啡??鼘幩岷投嗫Х弱?鼘幩醄15]。天然植物中提取分離得到的咖啡??鼘幩嵬ǔJ且陨鲜龌衔锕泊娴男问酱嬖冢烊恢参锼幚砘钚缘陌l(fā)揮得益于其同分異構(gòu)體的同時(shí)存在。該類化合物主要含有酯鍵、不飽和雙鍵、鄰二酚羥基、羥基等,尤其是酚羥基具有很好的清除自由基的能力,有助于降糖活性的發(fā)揮[16]。現(xiàn)已知咖啡??鼘幩犷惢衔锕?8 個(gè),利用SwissTarget-Prediction 數(shù)據(jù)庫預(yù)測(cè)獲得化合物的對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)有483個(gè)。通過Cytoscape 軟件對(duì)上述活性化合物與預(yù)測(cè)靶點(diǎn)進(jìn)行關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的繪制和分析,得到“咖啡??鼘幩犷惢衔?靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖,如圖1所示。38 種咖啡酰奎寧酸類化合物網(wǎng)絡(luò)靶點(diǎn)分析順序如下:1-O-咖啡??鼘幩幔–1)、3-O-咖啡??鼘幩幔–2)、4-O-咖啡??鼘幩幔–3)、5-O-咖啡酰奎寧酸(C4)、3-O-咖啡??鼘幩峒柞ィ–5)、3-O-咖啡??鼘幩嵋阴ィ–6)、3-O-咖啡??鼘幩岫□ィ–7)、4-O-咖啡??鼘幩峒柞ィ–8)、4-O-咖啡??鼘幩岫□ィ–9)、5-O-咖啡??鼘幩峒柞ィ–10)、5-O-咖啡??鼘幩岫□ィ–11)、1,3-O-二咖啡酰奎寧酸(C12)、1,4-O-二咖啡酰奎寧酸(C13)、1,5-O-二咖啡酰奎寧酸(C14)、3,5-O-二咖啡??鼘幩幔ó惥G原酸A)(C15)、3,4-O-二咖啡酰奎寧酸(異綠原酸B)(C16)、4,5-O-二咖啡??鼘幩幔ó惥G原酸C)(C17)、3,4-O-二咖啡??鼘幩峒柞ィ–18)、3,5-O-二咖啡酰奎寧酸甲酯(C19)、4,5-O-二咖啡??鼘幩峒柞ィ–20)、4,5-O-二咖啡??鼘幩嵋阴ィ–21)、4,5-O-二咖啡??鼘幩岫□ィ–22)、3,5-O-二咖啡酰奎寧酸丁酯(C23)、3,5-O-二咖啡酰奎寧酸異丁酯(C24)、3,5-O-二咖啡??鼘幩嵋阴ィ–25)、1,5-O-二咖啡酰-3-O-(4-蘋果酰)-奎寧酸(C26)、1,5-O-二咖啡酰-3-O-(4-蘋果酸甲酯)-奎寧酸(C27)、1,5-O-二咖啡酰-3-O-(4-丙二酰)-奎寧酸(C28)、1,5-O-二咖啡酰-3-O-琥珀酰奎寧酸(C29)、1,5-O-二咖啡酰-4-O-琥珀酰奎寧酸(C30)、1,5-O-二咖啡酰-4-O-琥珀酸甲酯奎寧酸(C31)、1,4-O-二咖啡酰-3-O-琥珀酰甲酯奎寧酸(C32)、1,3-O-二咖啡酰-4-O-蘋果??鼘幩幔–33)、1,3,5-O-三咖啡??鼘幩幔–34)、1,4,5-O-三咖啡??鼘幩幔–35)、3,4,5-O-三咖啡酰奎寧酸(C36)、3,4,5-O-三咖啡酰奎寧酸甲酯(C37)、1,3,4,5-O-四咖啡??鼘幩幔–38)。
圖1 “咖啡??鼘幩犷惢衔?靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Network diagram of "caffeoylquinic acids-target"
通過檢索Pubmed、Ctd、DrugBank 及Genecards等數(shù)據(jù)庫共獲得II 型糖尿病相關(guān)靶點(diǎn)2214 個(gè)。
將咖啡??鼘幩犷惢衔锏臐撛谧饔冒悬c(diǎn)與II 型糖尿病相關(guān)靶點(diǎn)取交集,共得到211 個(gè)交集靶點(diǎn),作為咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用靶點(diǎn)。借助STRING 數(shù)據(jù)庫及Cytoscape 軟件的MCODE 插件共篩選出37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),并繪制出咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。此網(wǎng)絡(luò)包括37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),518 條相互關(guān)系,其中節(jié)點(diǎn)越大表明其在網(wǎng)絡(luò)中的作用越大[17],由此推斷AKT1、MMP2、MMP8、HIF1A、IGF1R、MAPK8 等靶點(diǎn)蛋白可能在II 型糖尿病的治療中起關(guān)鍵作用。
圖2 咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Key target network of caffeoylquinic acids in the treatment of type II diabetes
咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)信息如表1所示。從表1可以看出,這些靶點(diǎn)與細(xì)胞的增殖分化、基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)磷酸化等生物學(xué)功能及調(diào)控葡萄糖代謝、調(diào)節(jié)胰島素受體等生物過程密切相關(guān)。糖尿病發(fā)病涉及體內(nèi)多個(gè)生物過程的異常,咖啡??鼘幩犷惢衔锟赡苁峭ㄟ^多靶點(diǎn)、多通路調(diào)節(jié)這些生物過程來發(fā)揮其抗糖尿病作用。
表1 咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病的37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)信息表Table 1 37 key targets information table of caffeoylquinic acids in the treatment of type II diabetes
續(xù)表1
對(duì)37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行GO 功能分析,分析結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示這些靶點(diǎn)主要參與代謝過程(metabolic process)、應(yīng)激反應(yīng)(response to stimulus)、生物調(diào)節(jié)(biological regulation)等生物過程,涉及細(xì)胞膜(membrane)、細(xì)胞核(nucleus)、腔上包膜(membrane-enclosed lumen)等細(xì)胞組成,以及蛋白結(jié)合(protein binding)、離子結(jié)合(ion binding)、轉(zhuǎn)移酶活性(transferase activity)等分子功能。
圖3 咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)GO 分析Fig.3 GO analysis of key targets of caffeoylquinic acids in the treatment of type II diabetes
對(duì)37 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG 通路富集分析,富集基因數(shù)排名前20 的信號(hào)通路如圖4所示。結(jié)果表明咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用機(jī)制主要涉及細(xì)胞外基質(zhì)降解(Degradation of the extracellular matrix)、基質(zhì)金屬蛋白酶的激活(Activation of Matrix Metalloproteinases)、膠原蛋白降解(Collagen degradation)、MyD88 獨(dú)立TLR3/TLR4 級(jí)聯(lián)(MyD88-independent TLR4 cascade)等多條通路,主要涉及AKT1、MMP3、MMP9、HIF1A、IGF1R、MAPK8 等靶點(diǎn)基因,這些基因主要通過調(diào)控葡萄糖代謝以及調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。與通路相關(guān)的基因如表2所示,通路與其相關(guān)靶點(diǎn)之間的相互關(guān)系如圖5所示。
圖4 咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)KEGG 通路富集分析Fig.4 KEGG pathway enrichment analysis of key targets of caffeoylquinic acids in the treatment of type II diabetes
結(jié)合表2與圖5可以看出,細(xì)胞外基質(zhì)降解(Degradation of the extracellular matrix)主要涉及CASP3、MMP1、MMP2、MMP3、MMP7、MMP9、PLG 共7 個(gè)靶點(diǎn)蛋白,其中CASP3 是caspase 級(jí)聯(lián)激活下游的關(guān)鍵成分,可防止細(xì)胞因子誘導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡,這可能有助于保護(hù)糖尿病患者免受β細(xì)胞死亡[18];MMP1、MMP2、MMP3、MMP7、MMP9 主要通過降解多種細(xì)胞外基質(zhì)及相關(guān)蛋白發(fā)揮作用;PLG 則可以調(diào)控細(xì)胞增殖?;|(zhì)金屬蛋白酶的激活(Activation of matrix metalloproteinases)信號(hào)通路與膠原蛋白降解(Collagen degradation)信號(hào)通路同樣涉及MMP1、MMP2、MMP3、MMP7、MMP9 等靶點(diǎn),表明MMPS 靶點(diǎn)在咖啡酰奎寧酸類化合物抗Ⅱ型糖尿病方面發(fā)揮著極其重要的作用。MyD88-independent TLR4 cascade 信號(hào)通路則主要涉及CASP8、MAPK1、MAPK14、MAPK3、MAPK8 靶點(diǎn)。MAPK 是一組能被不同的細(xì)胞外刺激,如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子、細(xì)胞應(yīng)激等激活的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶,調(diào)控細(xì)胞的生長、存活及分化、對(duì)環(huán)境的應(yīng)激適應(yīng)、炎癥反應(yīng)等多種細(xì)胞生理病理過程[19]。MAPK 在炎癥條件下還可以激活與胰島素抵抗密切相關(guān)的JNK 通路和P38 通路,進(jìn)而發(fā)揮治療糖尿病的作用[20]。綜上所述,一條信號(hào)通路可涉及多個(gè)基因靶點(diǎn),一個(gè)基因靶點(diǎn)可參與多個(gè)信號(hào)通路,證實(shí)了咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病是一個(gè)涉及多靶點(diǎn)、多通路的復(fù)雜過程。
表2 KEGG 通路富集分析相關(guān)基因Table 2 Related genes for KEGG pathway enrichment analysis
圖5 咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用通路與其相關(guān)靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析Fig.5 Network analysis of the pathways of caffeoylquinic acids in the treatment of type II diabetes and their related targets
為了驗(yàn)證咖啡??鼘幩犷惢衔镱A(yù)測(cè)靶點(diǎn)的準(zhǔn)確性,本研究采用AutoDock Vine 軟件對(duì)3 個(gè)關(guān)鍵成分和3 個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接,以自由結(jié)合能(binding energy)作為篩選條件,結(jié)合能越小表示對(duì)接結(jié)果越好。對(duì)于多構(gòu)象的對(duì)接結(jié)果,篩選出結(jié)合能最低的對(duì)接構(gòu)象,如表3所示。化合物與分子靶點(diǎn)對(duì)接得分均大于5.0,表明分子對(duì)接結(jié)果良好,驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。運(yùn)用Pymol 軟件,根據(jù)結(jié)合能的大小選出每個(gè)靶點(diǎn)蛋白對(duì)接最好的化合物進(jìn)行可視化分析,結(jié)果如圖6所示,其中IGF1R 與綠原酸、JAK1 與異綠原酸A 和RPS6KB1 與1,3,5-O-三咖啡??鼘幩峋梢孕纬蓺滏I,為進(jìn)一步整合探析咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病提供了理論參考。
圖6 IGF1R、JAK1、RPS6KB1 與3 個(gè)關(guān)鍵成分的最佳對(duì)接構(gòu)象Fig.6 Optimal docking conformation of IGF1R,JAK1,RPS6KB1 and the three key components
表3 3 個(gè)靶點(diǎn)與3 個(gè)關(guān)鍵成分的分子對(duì)接得分Table 3 Molecular docking scores of 3 targets and 3 key components
本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法,借助相關(guān)數(shù)據(jù)庫和軟件對(duì)咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用靶點(diǎn)及作用機(jī)制進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析。研究結(jié)果顯示,通過分析得出咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病的關(guān)鍵靶點(diǎn)有37 個(gè),靶點(diǎn)與靶點(diǎn)之間的相互關(guān)系達(dá)518 條。其作用機(jī)制主要涉及細(xì)胞外基質(zhì)降解、基質(zhì)金屬蛋白酶的激活和膠原降解等通路、主要涉及AKT1、MMP3、MMP9、HIF1A、IGF1R、MAPK8 等靶點(diǎn),與目前研究的某些藥物作用于II 型糖尿病的靶點(diǎn)、通路基本相符[21?24],驗(yàn)證了咖啡??鼘幩犷惤M分具有多成分、多靶點(diǎn)、多通路的特點(diǎn)。
王馨苑等[25]通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)合分子對(duì)接研究了黃連素治療II 型糖尿病的作用機(jī)制,結(jié)果顯示黃連素能夠通過與AKT1、MMP9 等核心靶點(diǎn)的穩(wěn)定結(jié)合,起到治療II 型糖尿病的作用。在機(jī)體組織缺氧時(shí),可激活缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α,而HIF-1α表達(dá)的增多會(huì)進(jìn)一步加重神經(jīng)纖維的缺血缺氧,這可能為糖尿病周圍神經(jīng)病變的發(fā)病機(jī)制之一[26]。呂翠巖等[27]研究發(fā)現(xiàn)抑制糖尿病周圍神經(jīng)病變大鼠坐骨神經(jīng)HIF-1αmRNA 的轉(zhuǎn)錄和蛋白的表達(dá),可以達(dá)到治療糖尿病的效果。MAPK 信號(hào)通路為胰島素信號(hào)的級(jí)聯(lián)通路,其可以通過多種途徑調(diào)節(jié)肝臟代謝,還可以通過上調(diào)GLUT4 的表達(dá),促進(jìn)糖的吸收與利用,增加胰島素敏感性和改善胰島素抵抗,與葡萄糖穩(wěn)態(tài)有密切的關(guān)系[28?29]。葛凌等[30]研究發(fā)現(xiàn)槲皮素可有效減輕大鼠外周胰島素抵抗,其作用機(jī)制可能是槲皮素激活了胰腺組織中FGF21/MAPK 信號(hào)通路,證實(shí)了MAPK 信號(hào)通路在治療II 型糖尿病中的作用。Li 等[31]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠心肌存在明顯心肌纖維化,通過硫化氫(H2S)干預(yù)后,糖尿病大鼠心肌纖維化明顯減輕,心肌組織中膠原蛋白I 的表達(dá)水平顯著下降,且MMP-8 蛋白表達(dá)水平也明顯降低,而MMPs 的表達(dá)受MAPK 通路的調(diào)控[32],表明H2S 改善糖尿病大鼠心肌纖維化與膠原蛋白降解以及MAPK 信號(hào)通路有關(guān)。這些研究報(bào)道表明通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測(cè)咖啡??鼘幩犷惢衔锏淖饔冒悬c(diǎn)和通路具有可行性,證實(shí)了咖啡酰奎寧酸類化合物治療II 型糖尿病具有多靶點(diǎn)、多通路的特點(diǎn),這是傳統(tǒng)“一藥一靶點(diǎn)”模式難以做到的,而這也符合中藥多成分、多靶點(diǎn)、多通路對(duì)疾病起到綜合治療作用的特點(diǎn)。
綜上所述,本研究應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法預(yù)測(cè)了咖啡??鼘幩犷惢衔镏委烮I 型糖尿病的作用靶點(diǎn)及作用機(jī)制,闡明該類成分通過多靶點(diǎn)、多通路治療II 型糖尿病,為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用提供了新思路、指明了新方向。但是網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析也存在一定的局限性,其雖然能較為系統(tǒng)地預(yù)測(cè)活性成分作用靶點(diǎn)與作用通路,但預(yù)測(cè)結(jié)果不能完全證明其正確性,其作用機(jī)制需要開展體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。