馮文敏,吳鎧悅,黃月萍,劉亞茹,趙洪波,刁勇,朱亞玲
1.華僑大學(xué)醫(yī)學(xué)院,福建 泉州 362021;2.昆明醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心,云南 昆明 650500
肝癌是全球范圍內(nèi)最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,其發(fā)病率和死亡率呈逐年遞增趨勢(shì),嚴(yán)重威脅人類生命健康。肝癌發(fā)病隱匿,早期診斷率低,多數(shù)患者確診時(shí)已為中晚期,錯(cuò)過(guò)了最佳治療時(shí)機(jī),導(dǎo)致患者預(yù)后較差[1]。因此,迫切需要可有效延長(zhǎng)肝癌患者生存期的治療手段和藥物。
西黃丸是中醫(yī)抗癌名方,由牛黃、麝香、乳香和沒(méi)藥4味中藥組成,有清熱解毒、消腫散結(jié)功效,用于熱毒壅結(jié)所致癰疽疔毒、瘰疬、癌腫等疾病[2]。藥理研究發(fā)現(xiàn),西黃丸對(duì)肝癌、肺癌、乳腺癌等多種癌癥有一定療效,具有誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡、抑制細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移、抑制血管生成、改善腫瘤免疫抑制微環(huán)境等作用[3-5],但其治療肝癌的分子機(jī)制尚不完全明確。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是基于系統(tǒng)生物學(xué)理論,從整體角度探索藥物-生物系統(tǒng)-疾病之間復(fù)雜作用關(guān)系,形成藥物分子設(shè)計(jì)新模式,是發(fā)展創(chuàng)新藥物的重要途徑[6]。近年來(lái),雖然已經(jīng)利用基因芯片及高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一些與肝癌相關(guān)的重要基因,但其在肝癌發(fā)生發(fā)展及治療中的作用仍需深入研究。本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、生物信息學(xué)及分子對(duì)接方法,對(duì)西黃丸治療肝癌的潛在活性成分及預(yù)后相關(guān)靶點(diǎn)進(jìn)行分析,為闡明西黃丸治療肝癌的作用機(jī)制及開(kāi)發(fā)治療肝癌的新型藥物提供依據(jù)。
利用TCMSP(https://tcmsp-e.com/)[7]、化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)(www.organchem.csdb.cn)[8]檢索西黃丸中牛黃、麝香、乳香、沒(méi)藥4味中藥的化學(xué)成分,通過(guò)PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)[9]數(shù)據(jù)庫(kù)獲取化合物的SMILES分子結(jié)構(gòu),將分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)入SwissADME(http://www.swissadme.ch)[10]數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)化合物的吸收度和類藥性,篩選胃腸(GI)吸收為“High”、5 個(gè)類藥性參數(shù)(Lipinski、Ghose、Veber、Egan、Muegge)預(yù)測(cè)結(jié)果中有3個(gè)及以上為“Yes”的化合物,作為活性成分。
將活性成分導(dǎo)入SwissTargetPrediction(http://www.swisstargetprediction.ch)[11]數(shù)據(jù)庫(kù),選擇物種為“Homo sapiens”,依據(jù)反向藥效團(tuán)匹配方法預(yù)測(cè)活性成分的作用靶點(diǎn),收集靶點(diǎn)蛋白信息。隨后利用UniProt數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.uniprot.org/)[12]對(duì)靶點(diǎn)蛋白名稱進(jìn)行統(tǒng)一校正,并獲取靶點(diǎn)蛋白對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)基因。
利用GEPIA(http://gepia.cancer-pku.cn/)[13]數(shù)據(jù)庫(kù)分析靶點(diǎn)基因在肝癌組織和正常組織的表達(dá)水平,Matched Normal data 設(shè) 為“Match TCGA normal data”,其余為默認(rèn)。將在肝癌組織和正常組織表達(dá)有顯著差異,即|log2FC|>1,P<0.01的靶點(diǎn)基因作為差異表達(dá)靶點(diǎn)基因。
將差異表達(dá)靶點(diǎn)基因?qū)隓AVID(https://david.ncifcrf.gov)[14]數(shù)據(jù)庫(kù),以FDR<0.05為顯著富集標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行GO功能富集和KEGG通路富集分析。
將“1.3”項(xiàng)下差異表達(dá)靶點(diǎn)基因?qū)?yīng)的蛋白導(dǎo)入STRING(https://cn.string-db.org/)[15]數(shù)據(jù)庫(kù),限定物種為“Homo sapiens”,置信度為0.4,構(gòu)建靶點(diǎn)蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò),將PPI 網(wǎng)絡(luò)用Cytoscape3.9.0 軟件[16]進(jìn)行可視化,節(jié)點(diǎn)顏色代表靶點(diǎn)差異表達(dá)水平。借助NetworkAnalyzer插件進(jìn)行拓?fù)浞治?,篩選接近中心性(CC)、中介中心性(BC)和度值(degree)均大于平均值的靶點(diǎn)作為關(guān)鍵靶點(diǎn)。將關(guān)鍵靶點(diǎn)基因與KEGG顯著富集通路中對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)基因取交集,得到核心靶點(diǎn)基因。
Kaplan-Meier Plotter 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://kmplot.com/analysis/)[17]可評(píng)估基因表達(dá)對(duì)多種腫瘤預(yù)后的影響,用于發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證與腫瘤預(yù)后相關(guān)的生物標(biāo)志物。根據(jù)核心靶點(diǎn)基因表達(dá)中位數(shù),將數(shù)據(jù)庫(kù)中364例肝癌患者分為高表達(dá)組和低表達(dá)組,計(jì)算危險(xiǎn)比(hazard radio,HR)及95%置信區(qū)間(CI),差異比較用logrankP檢驗(yàn),logrankP<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,分析核心靶點(diǎn)基因與肝癌患者預(yù)后的相關(guān)性,得到預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)。
在Excel2013中構(gòu)建“中藥-活性成分”“活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)”“預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路”的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并將其導(dǎo)入Cytoscape3.9.0軟件,構(gòu)建并分析西黃丸治療肝癌的中藥-活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中不同顏色節(jié)點(diǎn)表示中藥、活性成分、預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)和通路,節(jié)點(diǎn)間連線表示關(guān)聯(lián)關(guān)系。
從PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)獲取西黃丸活性成分3D結(jié)構(gòu)作為對(duì)接配體。從RCSB PDB(http://www.rcsb.org)[18]數(shù)據(jù)庫(kù)下載預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)3D結(jié)構(gòu),作為對(duì)接受體。將對(duì)接配體和對(duì)接受體文件上傳至CB-Dock(http://clab.labshare.cn/cb-dock/php/)[19]分子對(duì)接工具,受體設(shè)為剛性分子,配體設(shè)為柔性分子,通過(guò)MGLTools工具對(duì)受體進(jìn)行移除小分子、水分子和加氫等操作,對(duì)配體進(jìn)行加氫、加電子等操作使其能量最小化,將其轉(zhuǎn)換為pdbqt 格式文件,應(yīng)用AutoDock Vina1.1.2進(jìn)行分子對(duì)接,以結(jié)合能大小判斷受體與配體結(jié)合力強(qiáng)弱。
通過(guò)TCMSP和化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)共檢索到西黃丸中化學(xué)成分385個(gè),根據(jù)吸收度和類藥性等參數(shù)篩選出活性成分194個(gè),其中牛黃18個(gè)、麝香36個(gè)、乳香72個(gè)、沒(méi)藥79個(gè)。經(jīng)SwissTargetPrediction預(yù)測(cè)活性成分作用靶點(diǎn),去除重復(fù)后,共得到873個(gè)作用靶點(diǎn)。靶點(diǎn)數(shù)量排名前10位的活性成分見(jiàn)表1。
表1 西黃丸活性成分信息(靶點(diǎn)數(shù)量前10位)
利用GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)分析873個(gè)靶點(diǎn)基因在肝癌組織和正常組織的表達(dá)水平,共得到有顯著差異的靶點(diǎn)基因147個(gè),其中89個(gè)上調(diào)靶點(diǎn)基因、58個(gè)下調(diào)靶點(diǎn)基因。
GO功能富集分析得到生物過(guò)程(BP)19個(gè)、細(xì)胞組分(CC)13個(gè)、分子功能(MF)16個(gè),上調(diào)靶點(diǎn)和下調(diào)靶點(diǎn)的富集結(jié)果中排名前5位條目見(jiàn)圖1。上調(diào)靶點(diǎn)主要富集于蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞分裂、G2/M有絲分裂細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變、凋亡過(guò)程的負(fù)調(diào)控等生物過(guò)程,分布于胞液、核質(zhì)、細(xì)胞膜等細(xì)胞組分,涉及蛋白激酶活性、ATP結(jié)合、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性等分子功能;下調(diào)靶點(diǎn)主要富集于藥物代謝過(guò)程、環(huán)氧化酶P450通路、類固醇代謝過(guò)程、氧化還原過(guò)程等生物過(guò)程,分布于細(xì)胞器膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、外泌體等細(xì)胞組分,涉及氧結(jié)合、氧化還原酶活性、類固醇羥化酶活性等分子功能。
圖1 西黃丸治療肝癌靶點(diǎn)GO功能富集分析
KEGG通路富集分析得到9條信號(hào)通路,其中上調(diào)靶點(diǎn)參與調(diào)控細(xì)胞周期、孕酮介導(dǎo)的卵母細(xì)胞成熟、卵母細(xì)胞減數(shù)分裂3條信號(hào)通路;下調(diào)靶點(diǎn)主要參與細(xì)胞色素P450對(duì)外源性藥物代謝、化學(xué)致癌作用、視黃醇代謝、代謝途徑等6條信號(hào)通路。見(jiàn)圖2。
圖2 西黃丸治療肝癌靶點(diǎn)KEGG通路富集分析
通過(guò)STRING數(shù)據(jù)庫(kù)及Cytoscape3.9.0軟件構(gòu)建靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3),網(wǎng)絡(luò)中包含144個(gè)節(jié)點(diǎn)和833條邊,degree值越大,節(jié)點(diǎn)越大。拓?fù)浞治龅玫紹C、CC和degree均大于平均值即0.407、0.011和12的節(jié)點(diǎn)26個(gè),將其作為關(guān)鍵靶點(diǎn)。關(guān)鍵靶點(diǎn)信息見(jiàn)表2。
表2 西黃丸治療肝癌關(guān)鍵靶點(diǎn)信息
圖3 西黃丸治療肝癌靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)
將篩選出的26個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)基因與9條KEGG顯著性富集通路中對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)基因取交集,得到14個(gè)核心靶點(diǎn)基因,包括MAPK3、CDK1、PLK1、CCNA2等10 個(gè)表達(dá)上調(diào)靶點(diǎn)基因及UGT2B7、CYP2B6、CYP1A1、CYP2C19共4個(gè)表達(dá)下調(diào)靶點(diǎn)基因。
利用Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫(kù)評(píng)估14個(gè)核心靶點(diǎn)基因在肝癌患者中的預(yù)后價(jià)值,總生存期分析結(jié)果顯示,MAPK3、CDK1、PLK1、CCNA2、CCNB1、CDK4、PRKDC 7個(gè)基因高表達(dá)與肝癌患者較差的總生存期相關(guān)(logrankP<0.05);CYP2C19基因高表達(dá)與肝癌患者較長(zhǎng)的總生存期相關(guān)(logrankP<0.05),表明上述8個(gè)基因與肝癌患者預(yù)后密切相關(guān)。見(jiàn)圖4。
圖4 西黃丸治療肝癌核心靶點(diǎn)基因生存分析
采用Cytoscape3.9.0軟件構(gòu)建中藥-活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò),見(jiàn)圖5。該網(wǎng)絡(luò)包含86個(gè)節(jié)點(diǎn)(4個(gè)中藥、68個(gè)活性成分、8個(gè)預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)、6條信號(hào)通路)和201條邊,68個(gè)活性成分中27個(gè)來(lái)自乳香、34個(gè)來(lái)自沒(méi)藥、4個(gè)來(lái)自麝香、4個(gè)來(lái)自牛黃,其中erlangerin B、[(5R,5Ar,8aS)-6-氧代-5-(3,4,5-三甲氧基苯基)-5,8,8a,9-四氫-[2]苯并呋喃[6,5-f][1,3]苯并二氧醇-5a-基]醋酸鹽(CID11004967)、洋椿苦素(cedrelone)、桑色素(morin)、辛酸丁酯(butyl octanoate)分別作用于7、5、4、3、3個(gè)預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)。MAPK3、CYP2C19、CDK1等靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)活性成分?jǐn)?shù)量較多,分別為36、27、23個(gè)。
圖5 西黃丸治療肝癌中藥-活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)
結(jié)合能<0 kJ/mol表明配體與受體可自發(fā)結(jié)合,一般認(rèn)為,配體與受體結(jié)合的構(gòu)象穩(wěn)定時(shí)能量越低,發(fā)生作用的可能性越大,結(jié)合力越強(qiáng)[20-21]。將中藥-活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)中靶點(diǎn)數(shù)排名前5位的活性成分與8個(gè)預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接,以結(jié)合能≤-5.0 kJ/mol為篩選標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果顯示,對(duì)接結(jié)合能>-5.0 kJ/mol的有1個(gè),<-5.0 kJ/mol有39個(gè),表明活性成分與預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)間均具有較強(qiáng)的結(jié)合力,見(jiàn)圖6。其中cedrelone 與CYP2C19 的結(jié)合能最低,cedrelone可結(jié)合到CYP2C19蛋白的活性位點(diǎn),并與氨基酸殘基A297 形成氫鍵作用,與殘基L366、F476、F114等形成疏水作用,見(jiàn)圖7。
圖6 主要活性成分與預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)分子對(duì)接熱圖
圖7 cedrelone與CYP2C19分子對(duì)接模式
西黃丸中牛黃清心退熱、化痰通竅、散結(jié)消腫,為君藥;臣以麝香通經(jīng)絡(luò)、散結(jié)滯、辟惡毒、除穢濁;佐以乳香、沒(méi)藥活血祛瘀。諸藥配伍有清熱解毒、活血祛瘀、消堅(jiān)腫、散痰結(jié)等功效[22],在肝癌治療中應(yīng)用廣泛。
本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和生物信息學(xué)方法篩選得到194個(gè)西黃丸活性成分及873個(gè)作用靶點(diǎn),其中147個(gè)靶點(diǎn)基因在肝癌組織與正常組織表達(dá)有顯著差異。經(jīng)靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和生存分析得到MAPK3、CDK1、PLK1、CCNA2、CCNB1、CDK4、PRKDC、CYP2C19共8個(gè)與肝癌患者預(yù)后密切相關(guān)的核心靶點(diǎn)。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)是MAPK/ERK信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白,該通路及下游轉(zhuǎn)錄因子參與細(xì)胞增殖、凋亡、周期調(diào)控、腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移等生物過(guò)程[23]。MAPK3磷酸化后可調(diào)控細(xì)胞增殖和凋亡相關(guān)核轉(zhuǎn)錄因子c-fos、c-Jun等,促進(jìn)肝癌發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移,且MAPK3磷酸化水平高的肝癌患者復(fù)發(fā)率明顯增加,預(yù)后較差[24]。周期蛋白依賴性激酶(CDK)1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,在細(xì)胞周期調(diào)控中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn),miR-1271-5p可通過(guò)靶向抑制CDK1表達(dá),從而阻滯細(xì)胞周期,抑制肝癌細(xì)胞增殖,增強(qiáng)肝癌細(xì)胞對(duì)放療的敏感性,發(fā)揮治療肝癌的輔助作用[25]。Polo 樣激酶(PLK)1是細(xì)胞有絲分裂的重要調(diào)節(jié)因子,其過(guò)表達(dá)可使多聚二磷酸腺苷酸核糖聚合酶(PARP)10磷酸化,破壞PARP10對(duì)NEMO信號(hào)泛素化的抑制,從而增強(qiáng)核因子-κB對(duì)多個(gè)靶基因的轉(zhuǎn)錄活性,促進(jìn)肝癌進(jìn)展[26]。CCNA2 和CCNB1 是細(xì)胞周期蛋白家族成員,可通過(guò)激活CDK激酶調(diào)控細(xì)胞周期,從而調(diào)控細(xì)胞增殖、生長(zhǎng)和凋亡。有研究表明,CCNA2和CCNB1高表達(dá)與肝癌患者總生存期和無(wú)病生存期降低相關(guān)[27]。CDK4/cyclin D 復(fù)合物可調(diào)控細(xì)胞周期G1/S 的轉(zhuǎn)換,SOCS1可通過(guò)降低肝癌細(xì)胞核CDK4/cyclin D復(fù)合物的穩(wěn)定性,從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)展到S期[28]。PRKDC基因編碼的DNA依賴蛋白激酶催化亞基(DNA-PKcs)是DNA雙鏈斷裂修復(fù)和重組的關(guān)鍵組成部分,在維持基因組穩(wěn)定方面發(fā)揮作用[29]。CYP2C19是重要的藥物代謝酶,在許多藥物、內(nèi)源性生物分子和環(huán)境毒物的激活或消除中發(fā)揮關(guān)鍵作用,CYP2C19異常表達(dá)與臨床藥物療效差或治療失敗有關(guān)[30]。
GO功能及KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn),西黃丸治療肝癌的上調(diào)靶點(diǎn)主要通過(guò)參與蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞分裂、G2/M有絲分裂細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變等生物過(guò)程,調(diào)控細(xì)胞周期及細(xì)胞凋亡等信號(hào)通路,發(fā)揮治療肝癌的作用。研究表明,細(xì)胞周期失調(diào)可介導(dǎo)細(xì)胞轉(zhuǎn)化和細(xì)胞生長(zhǎng)失控,從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞無(wú)限增殖[31]。因此,靶向作用于細(xì)胞周期調(diào)控因子可作為治療肝癌的潛在策略。下調(diào)靶點(diǎn)涉及藥物代謝過(guò)程、環(huán)氧化酶P450通路、類固醇代謝過(guò)程等生物過(guò)程,與細(xì)胞色素P450對(duì)外源性藥物代謝、化學(xué)致癌作用、視黃醇代謝等信號(hào)通路相關(guān)。肝臟是參與蛋白質(zhì)合成、脂肪代謝、糖代謝、藥物和毒物代謝,發(fā)揮吞噬和免疫功能的重要器官,肝臟代謝異常是肝癌發(fā)病的基礎(chǔ)。肝癌細(xì)胞可通過(guò)改變脂質(zhì)代謝、增強(qiáng)糖酵解和脂肪酸β-氧化等途徑增加能量供應(yīng),從而促進(jìn)肝癌細(xì)胞增殖或減少肝癌細(xì)胞凋亡[32]。因此,探索西黃丸調(diào)節(jié)肝臟異常代謝的機(jī)制具有重要的臨床意義。
中藥-活性成分-預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)及分子對(duì)接分析發(fā)現(xiàn),erlangerin B、CID11004967、洋椿苦素、桑色素等活性成分與肝癌預(yù)后相關(guān)核心靶點(diǎn)具有較強(qiáng)的結(jié)合力,說(shuō)明活性成分在西黃丸治療肝癌過(guò)程中可能發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn),erlangerin B對(duì)巨噬細(xì)胞具有一定的細(xì)胞毒性,且能抑制多種腫瘤細(xì)胞增殖[33]。洋椿苦素可通過(guò)上調(diào)肝癌患者體內(nèi)吩嗪合成類結(jié)構(gòu)域蛋白水平,介導(dǎo)Ras/Rap1信號(hào)通路,表現(xiàn)出顯著的抗肝癌作用[34]。桑色素是一種黃酮類化合物,具有抗氧化、抗糖尿病、抗炎、抗腫瘤、抗高血壓、抗菌、降尿酸和神經(jīng)保護(hù)作用[35]。有研究報(bào)道,桑色素對(duì)肝癌、宮頸癌、黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌和結(jié)腸癌等多種癌癥具有藥理作用[36]。
綜上所述,本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、生物信息學(xué)及分子對(duì)接方法,探討西黃丸治療肝癌的藥理作用機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)西黃丸中活性成分erlangerin B、CID11004967、洋椿苦素、桑色素等通過(guò)作用于MAPK3、CDK1、PLK1等肝癌預(yù)后相關(guān)靶點(diǎn)調(diào)節(jié)多條信號(hào)通路,從而發(fā)揮治療肝癌及延長(zhǎng)肝癌患者生存期的作用,可為后續(xù)研究提供新的思路。