徐麗華 劉銀河 鐘篇 張海林 王麗麗 鐘泳瀅 趙洪磊

[摘要]目的利用數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建組合網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)生物信息學(xué)分析獲取肉桂醛改善糖代謝作用靶點(diǎn)。方法首先應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法挖掘出數(shù)據(jù)庫(kù)中肉桂醛改善糖代謝作用的32條通路;再基于 R 軟件包“graphite”將數(shù)據(jù)庫(kù)中的通路轉(zhuǎn)換為生物網(wǎng)絡(luò)，在線進(jìn)行富集分析;然后用Cytoscape構(gòu)建代謝組學(xué)與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的組合網(wǎng)絡(luò);最后推測(cè)改善糖代謝作用的關(guān)鍵靶點(diǎn)和潛在的關(guān)聯(lián)機(jī)制。結(jié)果篩選出10個(gè)與肉桂醛改善糖代謝有關(guān)的關(guān)鍵靶點(diǎn)，其中 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2這5個(gè)靶點(diǎn)最有可能受肉桂醛調(diào)控。結(jié)論采用網(wǎng)絡(luò)比較和比對(duì)方法建立生物通路組合網(wǎng)絡(luò)，分析肉桂醛的候選關(guān)鍵靶點(diǎn)的方法是有效可行的。

[關(guān)鍵詞]肉桂醛;糖代謝;生物途徑;組合網(wǎng)絡(luò)

[中圖分類號(hào)] R285? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A?? [文章編號(hào)]2095-0616（2022）07-0057-05

Targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism andbioinformatics analysis

XU LihuaZHONGPianZHANGHailinWANGLihLIU YinheZHONG Yongying?ZHAO Honglei

1. Department of Pharmacy， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;2. Department of Laboratory Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;3. Department of Endocrinology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;4. Department of Traditional Chinese Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;5. Department of Cardiology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;6. Clinical Medicine Research Center， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China

[Abstract] Objective To construct a combinatorial network by data mining and obtain the targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism through bioinformatics analysis. Methods Firstly， 32 pathways of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism in the database were excavated by the network pharmacology method. Then the pathways in the database were transformed into biological networks based on R software package "graphite"， and enrichment analysis was carried out online. Cytoscape was used to construct a combinatorial network of metabonomics and network pharmacology afterwards. Finally， the key targets and potential correlation mechanisms in improving glucose metabolism were speculated. Results Ten key targets related to improving glucose metabolism by cinnamaldehyde were screened， among which IRS-1， AMPK-1， AMPK-2， PRKAB-1 and PRKAB-2 were most likely regulated by cinnamaldehyde. Conclusion It is effective and feasible to establish a combinatorial network of biological pathways by network comparison and comparative method to analyze the candidate key targets of Cinnamaldehyde.

[Key words] Cinnamaldehyde; Glucose metabolism; Biological pathway; Combinatorial network

隨著生活水平的提高，糖代謝異常發(fā)生率較前明顯增高，這不僅降低了人民群眾的生活質(zhì)量，加重了社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，如果合并高血壓、高血脂等情況，更容易導(dǎo)致心腦血管不良事件發(fā)生率增加。肉桂是常見(jiàn)中藥之一，改善糖代謝效果顯著[1-2]，明確其主要成分肉桂醛的生物途徑更有助于為糖代謝異常人群防治提供理論參考。本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)比較和基于選定生物通路（pathway）功能水平的對(duì)齊方法，評(píng)估肉桂醛與糖代謝相關(guān)的生物通路組合網(wǎng)絡(luò)，證明肉桂醛在調(diào)節(jié)糖代謝異常中發(fā)揮作用，通過(guò)生物學(xué)分析進(jìn)一步明確肉桂醛在糖代謝中的作用靶點(diǎn)。

1資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)集獲取

KEGG（http：//www.genome.jp/kegg/pathway. html）和BioCarta（https：//cgap.nci.nih.gov/Pathways/ BioCarta_Pathways）2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是“開(kāi)源”通路數(shù)據(jù)庫(kù)的典型，涵蓋了十多萬(wàn)個(gè)物種基因信息，常用于生物通路挖掘等基礎(chǔ)性研究，可以提供觀察基因相互作用模型。根據(jù)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)背景知識(shí)提取37類與糖代謝相關(guān)的疾病，見(jiàn)表1。根據(jù)既往研究結(jié)果[3]，選擇553對(duì) q 值小于0.001的疾病作為對(duì)糖代謝數(shù)據(jù)集，通過(guò)使用 David 進(jìn)行的功能富集分析，將這些疾病的所有相關(guān)基因轉(zhuǎn)化為通路[4]。

1.2 肉桂醛生物通路檢索

既往文獻(xiàn)[2，5]說(shuō)明肉桂醛通過(guò)多種生物通路途徑，改善糖代謝，本研究利用肉桂醛一詞通過(guò) PubMed 系統(tǒng)檢索文獻(xiàn)，尋找相關(guān)途徑。

1.3 生物通路相似性檢測(cè)

本研究中的 p 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建步驟如下。①網(wǎng)絡(luò)約定：使用 R 軟件包“graphite”提取 KEGG 和生物群中存儲(chǔ)的人類路徑并轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)。②網(wǎng)絡(luò)比較：利用圖形度分布揭示生物網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)與其局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似性（structural similarity， SS）。③網(wǎng)絡(luò)比對(duì)：在兩個(gè) AE （after effect）網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)比較模擬的擴(kuò)散核的熵來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)齊;使用 R 軟件包“igraph”和“netcom”來(lái)執(zhí)行計(jì)算。

1.4 組合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

利用肉桂醛生物通路與糖代謝生物通路的共同通路中基因的關(guān)系，構(gòu)建一個(gè)新的組合網(wǎng)絡(luò);用 R 軟件包“igraph”計(jì)算節(jié)點(diǎn)度（node degree）、節(jié)點(diǎn)介數(shù)（node betweenness）和邊緣介數(shù)（edge? betweeness）。

2結(jié)果

2.1 肉桂醛的生物學(xué)特性及糖代謝相關(guān)途徑

選擇32條肉桂醛相關(guān)途徑，并將其對(duì)疾病的影響分為兩組：糖尿病相關(guān)組（包括28條途徑）和高血壓相關(guān)組（包括4條途徑）。使用 David 將 KEGG 和生物群的所有糖代謝相關(guān)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為179個(gè)通路，p 值不超過(guò)0.05。兩組途徑共有12條共同的生物通路，提示肉桂醛在糖尿病、肥胖、Mets 和 CVD 等不同疾病或疾病階段發(fā)揮了動(dòng)態(tài)作用。糖代謝相關(guān)數(shù)據(jù)常見(jiàn)通路與糖代謝相關(guān)疾病之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

12種常見(jiàn)途徑中有9種與糖代謝相關(guān)，提示肉桂醛在糖代謝的不同方面可能發(fā)揮不同的改善糖代謝作用。其功能如下：①肉桂醛可以通過(guò)增加酪氨酸磷酸化水平來(lái)增強(qiáng)骨骼肌中的胰島素信號(hào)通路[6]。這一階段參與了三種途徑，包括胰島素信號(hào)通路（由MetS和 CVD 富集）、酪氨酸代謝（由MetS富集）和酪氨酸激酶信號(hào)的芽調(diào)控（由 CVD 富集）?！耙葝u素信號(hào)通路”不僅與糖尿病等代謝綜合征密切相關(guān)，與心血管疾病也密切相關(guān)，這可能是由于胰島素信號(hào)通路是調(diào)節(jié)生物體壽命的一個(gè)重要途徑[7]。②胰島素分泌受損是糖尿病的病理生理異常之一，胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）被證明可以抑制胰島素分泌，在糖尿病發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8-9]。肉桂醛可以提高 IGF-1受體及其下游信號(hào)分子的磷酸化水平[10]，肉桂醛結(jié)合 IGF-1受體可能導(dǎo)致酪氨酸激酶的激活，從而導(dǎo)致內(nèi)在酪氨酸的自磷酸化，與細(xì)胞增殖，調(diào)節(jié)組織分化，和保護(hù)免受凋亡等有關(guān)[11]。③研究提示，胰島素抵抗患者的 cAMP 對(duì)胰島素調(diào)節(jié)分泌作用受損[12]，cAMP 信號(hào)通路可以被肉桂醛調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出改善糖代謝作用[7]。其他方面，通過(guò)組合網(wǎng)絡(luò)的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，血脂代謝和血糖代謝可能有相同的信號(hào)通路。AMPK 信號(hào)通路通過(guò)調(diào)節(jié) mTOR 信號(hào)通路和 IGF-1通路參與脂肪細(xì)胞的脂解調(diào)節(jié)過(guò)程[13]。

2.2 組合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦?/p>

本研究利用所有的基因和12條共同通路之間的關(guān)系，建立了一個(gè)組合網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由335個(gè)基因作為節(jié)點(diǎn)，1793個(gè)關(guān)系作為邊緣組成。節(jié)點(diǎn)中間度和節(jié)點(diǎn)中間度排在前10位的基因見(jiàn)表2。肉桂醛通過(guò)增加 AKT-1（AKT 絲氨酸/蘇氨酸激酶-1）（28）、INSR（胰島素受體）的 mRNA 表達(dá)和促進(jìn) IRS 1（胰島素受體底物-1）磷酸化，激活 AMPK-1/2（蛋白激酶 amp 激活的催化亞基阿爾法-1/2）來(lái)增加胰島素敏感性[14-16]。相反，肉桂醛則降低了胰島素信號(hào)通路中包括 IGF-1R 在內(nèi)的胰島素信號(hào)通路蛋白編碼基因的表達(dá)[17]。

在前10個(gè)基因中，有5個(gè)被證明受肉桂醛的調(diào)控，包括 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2。其余5個(gè)基因可分為兩類：?jiǎn)伟费趸福∕AOA 和 MAOB）和蛋白激酶 amp 激活的非催化亞基 gamma（PRKAG-1、PRKAG-2和 PRKAG-3），可能屬于肉桂醛的候選靶點(diǎn)。

3討論

肉桂醛是肉桂的主要成分，肉桂具有抗炎、抗氧化、抗糖尿病、抗癌、抗菌等作用[1-2，18-19]。然而，其在心血管疾病和代謝綜合征等疾病中的調(diào)控作用機(jī)制尚不清楚。

生物途徑作為分子相互作用、遺傳、細(xì)胞、環(huán)境信息處理和代謝反應(yīng)的整合，經(jīng)常被用于各種復(fù)雜疾病的系統(tǒng)分析，如心血管疾病、糖尿病和癌癥，但基于生物途徑的肉桂醛系統(tǒng)功能分析仍然缺乏[20-24]。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)新的生物信息學(xué)管道來(lái)篩選肉桂醛靶點(diǎn)，利用新的組合網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)生物學(xué)信息分析，本研究發(fā)現(xiàn)，除了上述結(jié)果中驗(yàn)證的5個(gè)基因受肉桂醛的調(diào)控最為明顯， MAOA、MAOB、PRKAG-1、 PRKAG-2和 PRKAG-3這5個(gè)基因也可以被認(rèn)為是潛在的候選靶點(diǎn)。本研究描述了基于疾病或肉桂醛的不同路徑集之間的動(dòng)態(tài)相互作用，發(fā)現(xiàn)肉桂可能通過(guò)調(diào)節(jié)候選靶點(diǎn)參與代謝當(dāng)量和部分心血管疾病的主要過(guò)程。一系列的分子事件在生命過(guò)程中影響胰島素，這些過(guò)程反過(guò)來(lái)又有利于并加速肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的發(fā)展，這些候選靶點(diǎn)可能在這些過(guò)程之間的關(guān)系中發(fā)揮關(guān)鍵作用，如 IRS-1和 IGF-1R 之間的反饋。本研究結(jié)果顯示利用新的組合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行肉桂醛功能作用的生物信息學(xué)挖掘分析是可行的。

血糖代謝異常和高脂血癥、冠心病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是臨床醫(yī)學(xué)共識(shí)[2]。既往研究提示，肉桂醛在心血管疾病和代謝綜合征的治療中發(fā)揮一定作用[1-2]。本研究顯示，肉桂醛可以同時(shí)參與代謝性疾病糖尿病和原發(fā)性高血壓病的調(diào)控，其原因可能是肉桂通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素和胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF-1）信號(hào)通路改善血糖代謝，而此生物通路是胰島素抵抗的基本關(guān)鍵通路[25];此外，肉桂醛可以通過(guò)阻斷 ERK 信號(hào)通路來(lái)延緩心肌肥厚和纖維化的進(jìn)展[26-27]，心肌纖維化是血糖血脂異常和高血壓導(dǎo)致心肌病變的最后病理改變;生物信息分析顯示，肉桂醛不僅在糖尿病治療發(fā)揮重要作用，在血脂紊亂和高血壓的治療方面也可能起到一定作用。

本研究所構(gòu)建的組合網(wǎng)絡(luò)可以在基因水平上反映出過(guò)程之間復(fù)雜的相互作用。更多類型的測(cè)序數(shù)據(jù)覆蓋多種組學(xué)，如病毒基因組，大基因組可能提供更多的機(jī)制信息，特別是調(diào)控方向。本研究選擇了多種糖代謝相關(guān)疾病和肉桂醛共有的12條共同通路，構(gòu)建了一個(gè)包含共同通路中所有基因的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)分析肉桂醛的關(guān)鍵靶點(diǎn)。中間性基因中有 IRS-1、INS、AKT-1和 INSR 這4個(gè)基因被證實(shí)受肉桂調(diào)控。與節(jié)點(diǎn)度相比，測(cè)量值為“中間度”，反映了基因/基因?qū)蛟诓煌?疾病之間相互作用中的重要性，本研究中發(fā)現(xiàn)，10條中間邊緣中的6條包含至少一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的肉桂靶點(diǎn);形成 IRS-1-IGF-1R 邊緣的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是肉桂醛靶點(diǎn)，表現(xiàn)為 IRS-1表達(dá)上調(diào)，但 IGF-1R 在 miRNA水平上表達(dá)下調(diào)，提示肉桂醛靶點(diǎn)之間可能存在復(fù)雜的相互作用。

本研究從功能水平上，選擇肉桂醛、糖代謝相關(guān)疾病的通路，采用網(wǎng)絡(luò)比較和比對(duì)方法比較了與糖代謝相關(guān)的生物通路網(wǎng)絡(luò)。本研究構(gòu)建的新的組合網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析肉桂醛的候選關(guān)鍵靶點(diǎn)的方法是有效可行的，但更精準(zhǔn)的生物通路及靶點(diǎn)需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典[S].1部.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：91-92.

[2]中國(guó)心血管病預(yù)防指南（2017）寫作組，中華心血管病雜志編輯委員會(huì).中國(guó)心血管病預(yù)防指南（2017）[J].中華心血管病雜志，2018，46（1）：10-25.

[3] Yang L，Wu QQ，Liu Y.Cinnamaldehyde attenuatespressure overload-induced cardiac hypertrophy[J].International Journal of Clinical and ExperimentalPathology，2015，8（11）：141-145.

[4] Menche J，Sharma A，Kitsak M，et al.Diseasenetworks.Uncovering disease-disease relationshipsthrough the incomplete interactome[J].Science，2015，347（12）;57-60.

[5]李軍，章玲，蘆愛(ài)霞，等.miR-1252通過(guò)靶向調(diào)控TGF-β1-PI3K/Akt 通路對(duì)高糖誘導(dǎo)的心肌纖維化的保護(hù)作用的機(jī)制[J].基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2019，9（38）：328-333.

[6] Mollazadeh H，HosseinzadehH.Cinnamon effects onmetabolic syndrome： a review based on its mechanisms[J].Iran J Basic Med Sci，2016，19（12）：1258-1270.

[7] Qin B，Nagasaki M，Ren M，et al.Cinnamonextract（traditional herb）potentiates in vivo insulin-regulated glucose utilization via enhancing insulinsignaling in rats[J].Diabetes Res Clin Pract，2003，62（131）：139-148.

[8] Schriner SE，Kuramada S，Lopez TE，et al.Extensionof Drosophila lifespan by cinnamon through a sex-specificdependence on the insulin receptor substrate chico[J].ExpGerontol，2014，60（53）：220-230.

[9] Porksen N，Hussain MA，Bianda TL，et al.IGF-Iinhibits burst mass of pulsatile insulin secretion atsupraphysiological and low IGF-I infusion rates[J].Am JPhysiol，1997，2（66）：352-358.

[10] Leahy JL，VandekerkhoveKM.Insulin-like growthfactor-I at physiological concentrations is a potentinhibitor of insulin secretion[J].Endocrinology，1990，126（32）：1593-1598.

[11] Takasao N，Tsuji-Naito K，Ishikura S，et al.Cinnamon extract promotes type I collagen biosynthesisvia activation of IGF-I signaling in human dermalfibroblasts[J].J Agric Food Chem，2012，60（5）：1193-1200.

[12] Laviola L，Natalicchio A，GiorginoF.The IGF-Isignaling pathway[J].Curr Pharm Des，2007，13（21）：663-669.

[13] Trovati M，AnfossiG.Influenceofinsulin and ofinsulin resistanceon platelet and vascular smooth muscle cell function[J].JDiabetes Complications，2002，16（19）：35-40.

[14] Salt IP，Hardie DG.AMP-Activated Protein Kinase：An Ubiquitous Signaling Pathway With Key Roles in theCardiovascular System[J].Circ Res，2017（120）：1825-1841.

[15] Kakiuchi-Kiyota S，Schutten MM，Zhong Y，et al.Safety Considerations in the Development of HippoPathway Inhibitors in Cancer[J].Front Cell Dev Biol，2019（7）：1597-1656.

[16] Kaku，K.New concept of the glucagon-like peptide-1signaling pathway on pancreatic insulin secretionr[J].J Diabetes Investig，2020，11（2）：265-267.

[17] Wang W，Jiang B，Sun H，et al.Prevalence，Incidence， and Mortality of Stroke in China： Resultsfrom a Nationwide Population-Based Survey of 480687Adults[J].Circulation，2017，135（8）：759-771.

[18] Khan A，Safdar M，Ali Khan MM，et al.Cinnamon improves glucose and lipids of peoplewith type 2 diabete[J].Diabetes Care，2003，26（12）：3215-3218.

[19] Zuo J，Zhao D，Yu N，et al.CinnamaldehydeAmeliorates Diet-Induced Obesity in Mice by InducingBrowning of White Adipose Tissue[J].Cell PhysiolBiochem，2017，42（4）：1514-1525.

[20] Huang da W， Sherman BT，LempickiRA.Systematicand integrative analysis of large gene lists using DAVIDbioinformatics resources[J].Nat Protoc，2009（4）：44-57.

[21] Huang da W，Sherman BT，LempickiRA.Bioinformatics enrichment tools： paths toward the comprehensive functional analysis of large gene lists[J].Nucleic Acids Res，2009（37）：1-13.

[22] Kanehisa M，F(xiàn)urumichi M，Tanabe M，et al.KEGG： new perspectives on genomes， pathways， diseases and drugs[J].Nucleic Acids Res，2017（45）：353-361.

[23] Sales G，Calura E，Cavalieri D，et al.graphite-a Bioconductor package to convert pathway topology to gene network[J].BMC Bioinformatics，2012（13）：20.

[24] Huang da W，Sherman BT，LempickiRA.Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources[J].Nat Protoc，2009（4）：44-57.

[25] Sun P，Wang T，Chen L，et al.Trimer procyanidin oligomers contribute to the protective effects of cinnamon extracts on pancreatic beta-cells in vitro[J].Acta Pharmacol Sin，2016（37）：1083-1090.

[26]Hariri M，GhiasvandR.Cinnamon and Chronic Diseases[J].Adv Exp Med Biol，2016（929）：1-24.

[27] Cao H，Graves DJ，Anderson RA.Cinnamon extract regulates glucose transporter and insulinsignaling gene expression in mouse adipocytes.Phytomedicine[J].2017，17（13）：1027-1032.

（收稿日期：2021-10-26）