莊震坤 李穎 陳宏昱 溫妙愉 蔡景太 孫緒新 宋曉丹 張偉健 陳奕群 程紅
摘要目的:通過網(wǎng)絡藥理學、微陣列數(shù)據(jù)分析和分子對接探討四君子湯治療缺血性心力衰竭的作用機制。方法:采用R軟件對GEO數(shù)據(jù)庫中下載的缺血性心力衰竭(HF)的微陣列數(shù)據(jù)進行分析;借助中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫及分析平臺(TCMSP)數(shù)據(jù)庫獲取四君子湯中4味中藥的化學成分和作用靶點,利用網(wǎng)絡藥理學的方法獲取四君子湯有效成分與心力衰竭的匹配靶點;通過Cytoscape(v3.2.1)軟件和STRING數(shù)據(jù)庫構建蛋白蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡;在R軟件上使用clusterProfiler(v3.8)和DOSE(v3.6)軟件包進行基因本體(GO)和京都基因與基因組百科全書(KEGG)富集分析。最后,借助AutoDockTool、PyMOL軟件進行預處理及分子對接。結果:通過對微陣列數(shù)據(jù)的分析,獲得關于心力衰竭的371個差異表達基因(DEGs)。共篩選出四君子湯有效成分136種,活性成分所涉及的相關靶點4134個,對9個匹配靶點和5個重要化學成分進行后續(xù)分析,構建了“四君子湯心力衰竭”PPI網(wǎng)絡。通過GO生物過程、KEGG富集分析,得到細胞對酸性化學物質的反應、有機羥基化合物轉運、軸突再生、神經(jīng)元投影再生、內質網(wǎng)腔、膠原三聚體、蛋白結合和局灶性黏附途徑等重要生物學過程。分子對接顯示核心成分柚皮素與核心靶點載脂蛋白B(APOB)、補體C1q結合蛋白(C1QB)對接良好。結論:四君子湯治療缺血性心力衰竭的機制可能是多靶點、多途徑的直接或間接作用,為后續(xù)的四君子湯藥理機制研究提供了生物學依據(jù)。
關鍵詞缺血性心力衰竭;四君子湯;網(wǎng)絡藥理學;分子對接;微陣列數(shù)據(jù)分析;作用機制
doi:10.12102/j.issn.16721349.2024.06.003
心力衰竭在世界范圍內的發(fā)病率和死亡率正在不斷上升。全世界2%的成年人患有慢性心力衰竭[1]。人一生中患心力衰竭的風險約為20%[2]。據(jù)估計,由于人口老齡化的進程和心血管疾病治療水平的上升,心力衰竭的患病率在未來20年將增加25%[3]。雖然急性心肌梗死死亡率在過去的半個世紀中有所下降,但冠狀動脈疾病存活者仍有繼發(fā)缺血性心力衰竭(heartfailure,HF)的風險[4]。缺血性心臟?。↖HD)引起的左心室重構可導致耗氧量增加和心肌收縮效率降低[5]。這些病理過程可以激活神經(jīng)系統(tǒng)和激素分泌,進一步導致心力衰竭的發(fā)生[67]。目前,治療射血分數(shù)降低的心力衰竭的藥物包括利尿劑、血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEI)、血管緊張素受體阻滯劑(ARB)、β受體阻滯劑、醛固酮受體拮抗劑(MRAs)以及近年出現(xiàn)的血管緊張素受體阻滯劑凝血素抑制劑(ARNI)[8]。
中醫(yī)藥在臨床實踐中積累了許多經(jīng)驗,在治療慢性疾病方面有著重要地位。心力衰竭可歸屬于中醫(yī)學“胸悶”“心悸”“水腫”和“喘證”等范疇。中醫(yī)治療心力衰竭有著悠久歷史,多項研究表明,中醫(yī)藥治療心力衰竭可以改善病人的水腫、氣短、頭暈、心悸等癥狀[911]。四君子湯是補氣的代表方,廣泛應用于脾氣虛證的臨床治療,由人參、茯苓、白術、甘草4味中藥組成。中醫(yī)認為脾與心的關系極為密切,生理上,心主血行血,而脾為后天之本,氣血生化之源,心脾共司血液的生成與運行。病理上,脾虛生化不足致心脈失于充盈,心脈不榮則引發(fā)胸悶、心悸等不適;二者脾虛不運,水濕不化,則發(fā)水腫、喘證。邱俊等[1213]通過構建慢性左心力衰竭小鼠模型,發(fā)現(xiàn)四君子湯可能通過調節(jié)能量代謝、減少心肌重構、提高收縮功能而改善慢性左心力衰竭模型大鼠的心功能。劉聰聰[14]研究表明,四君子湯合丹參飲可以顯著改善射血分數(shù)正常的心力衰竭病人心功能和射血分數(shù),降低N末端腦鈉肽前體(NTproBNP)水平。陳正瑜等[15]研究發(fā)現(xiàn),四君子湯加減聯(lián)合常規(guī)治療慢性心力衰竭氣虛痰瘀證,能改善病人左心室射血分數(shù)、每搏輸出量、心排血量及中醫(yī)證候。然而,目前四君子湯治療心力衰竭的相關藥理機制仍未明確。
網(wǎng)絡藥理學是一種包含系統(tǒng)生物學、網(wǎng)絡分析、連通性、冗余性和多效性的方法學研究[1617]。中醫(yī)理論與網(wǎng)絡藥理學的核心思想有很大的相通之處。因此,研究者為了進一步研究多靶點效應的機制,建立了一種新的“網(wǎng)絡靶點、多組分”模式的中醫(yī)藥網(wǎng)絡藥理學方法。該方法可以為解釋中醫(yī)藥治病機制提供新的方式[1822]。分子對接可以確定配體在靶蛋白上的結合位點[23]。因此,分子對接方法被廣泛應用于探究中藥活性成分與疾病靶點的結合機制[2426]。此外,微陣列數(shù)據(jù)可用于識別心力衰竭的差異表達基因(DEGs)。
本研究基于網(wǎng)絡藥理學、微陣列數(shù)據(jù)分析和分子對接的綜合方法以闡明四君子湯治療心力衰竭的作用機制,研究流程見圖1。
1資料與方法
1.1心力衰竭差異表達基因的獲取
在GEO數(shù)據(jù)庫[27]中檢索心力衰竭的差異表達基因,再運行R平臺上的Limma軟件包(3.11版)對其進行分析,其中l(wèi)ogFC的絕對值<1,校正后的P<0.05,得到了心力衰竭的差異表達基因GSE16499,進而為基因表達實驗的數(shù)據(jù)分析提供了一個完整的解決方案[2829]?;谛牧λソ叩牟町惢蚶L制相關的熱圖和火山圖。
1.2四君子湯活性成分的獲取
通過中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫及分析平臺(TCMSP,http://tcmspw.com/index.php)搜集四君子湯的所有藥物,包括人參、白術、茯苓、甘草。根據(jù)藥代動力學中口服生物利用度(oralbioavailability,OB)>30%,類藥性(druglikeness,DL)>0.18對四君子湯中的藥物進行篩選[3031],最終得到符合條件的活性成分。根據(jù)檢索結果建立活性成分數(shù)據(jù)庫,其中包含四君子湯的活性成分和每個活性成分對應的靶點,再將每個靶點名稱轉換為通用蛋白質資源符號(UniProt,http://www.uniprot.org/),以供后續(xù)分析。
1.3構建四君子湯的活性成分和心力衰竭的共同作用靶點網(wǎng)絡
利用四君子湯活性成分靶點數(shù)據(jù)庫和心力衰竭疾病靶點數(shù)據(jù)庫的兩個基因集之間的交叉點繪制韋恩圖。通過Cytoscape(3.2.1版)[32]軟件構建四君子湯的活性成分和心力衰竭的共同作用靶點網(wǎng)絡,成分和靶點用“節(jié)點(nodes)”表示,二者的關聯(lián)用“邊(edges)”編碼。
1.4構建蛋白蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡
確定“四君子湯心力衰竭”共同靶點基因,所有靶點基因僅將物種限制為“智人”,設置綜合得分>0.4分,從中隱藏斷開的節(jié)點,再通過字符串數(shù)據(jù)庫(STRING)[33](https://stringdb.org/,11.0版)構建PPI網(wǎng)絡[34]。
1.5基因本體(GO)富集分析和京都基因和基因組百科全書(KEGG)通路分析
為了探究“四君子湯心力衰竭”共同靶基因的生物學功能,將GO[35]與KEGG[36]富集結果在clusterProfiler平臺上進行路徑分析,優(yōu)化生物術語分類和基因簇富集分析的過程[37]。DOSE提供了疾病本體(DO)術語之間的語義相似性計算(即將高通量數(shù)據(jù)中的分子發(fā)現(xiàn)轉化為臨床相關性的重要注釋,以及允許生物學家從疾病角度探索疾病和基因功能相似性的基因)[38]。設置P=0.05和Q=0.05,通過Cytoscape軟件構建目標基因分子功能和通路網(wǎng)絡,加上MCODE插件從網(wǎng)絡中篩選出關鍵模塊(設置度截止=2,節(jié)點分數(shù)截止=0.2,K分數(shù)=2,最大深度=100)。
1.6分子對接
分子對接AutoDockVina(1.1.2版本)與其他6個商用的對接程序相比有更高的準確性[39],本研究采用半柔性的分子對接,因為其更適用于中藥化合物和蛋白質之間的對接[40]。在進行分子對接前,從PubChem數(shù)據(jù)庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)下載化合物的結構,即配體,從UniProt(http://www.uniprot.org/)下載匹配的靶蛋白,即受體;或使用SWISSMODEL(https://swissmodel.expasy.org/)[41]進行同源建模。在缺乏實驗參考結構的情況下,評估3D蛋白質結構模型的質量對于確定模型的實用性和潛在應用至關重要[42]。分子對接的結果最后通過PyMOL(2.4.0版本)進行可視化處理[43]。
2結果
2.1心力衰竭差異表達基因
從GEO數(shù)據(jù)庫中下載GSE16499微陣列數(shù)據(jù),再在R平臺上使用Limma包進行分析,發(fā)現(xiàn)共有371個差異表達基因。在這些基因中,183個基因被顯著上調,188個基因被顯著下調。詳見圖2。心力衰竭基因中上調量最大的20個基因和下調量最大的20個基因見圖3。差異表達量最大的20個基因見表1。
2.2四君子湯活性成分
運用ADME中的OB和DL參數(shù),從TCMSP數(shù)據(jù)庫中共篩選出四君子湯中的136個有效成分,其中人參22個、白術7個、茯苓15個、甘草92個。對此136個活性化合物進行靶點捕捉,得到4134個相關靶點基因,其中人參748個、白術774個、茯苓121個、甘草2491個。
2.3四君子湯活性成分和心力衰竭的共同作用靶點
四君子湯和心力衰竭有9個共同的作用靶點,即可能在心力衰竭治療中起作用的靶基因,這些靶點的節(jié)點度最高,分別是B淋巴細胞瘤2(BCL2)、花生四烯酸5脂加氧酶(ALOX5)、醛酮還原酶家族1成員C1(AKR1C1)、載脂蛋白B(APOB)、補體C1q結合蛋白(C1QB)、ABC亞家族G亞型2(ABCG2)、Ⅰ型膠原蛋白α1(COL1A1)、人組織型纖溶酶原激活劑(PLAT)、分泌型磷酸蛋白1(SPP1)。這些匹配基因對應四君子湯的5個活性成分(見表2),四君子湯中只有甘草和人參與這些匹配基因相關。圖4展示了活性成分與心力衰竭的作用關系,網(wǎng)絡中的節(jié)點度值(Degree)代表節(jié)點與其他節(jié)點的連接或邊數(shù),節(jié)點Degree≥5的成分有2種,分別是槲皮素(quercetin)和柚皮素(naringenin)。
2.4PPI網(wǎng)絡
四君子湯與心力衰竭共同靶點的蛋白質蛋白質相互作用,每個連接都代表一種意義,比如蛋白質的同源性、基因共表達、基因的內在相關性。基因的相鄰節(jié)點越多,重要性就越高。詳見圖5。Degree≥20個節(jié)點的關鍵基因見表3,其中≥40個節(jié)點的基因為TP53、BCL2和纖連蛋白1(FN1)。
2.5GO富集和KEGG通路分析
通過GO富集分析,共獲得34個生物過程、26個細胞組分和2個分子功能。生物過程中P值排前4位的為細胞對酸性化學物質的反應(GO:0071229)、有機羥基化合物轉運(GO:0015850)、軸突再生(GO:0031103)、神經(jīng)元投射再生(GO:0031102)。細胞組分中內質網(wǎng)腔(GO:0005788)、膠原三聚體(GO:0005581)的P值居前2位;分子功能中蛋白質結合(GO:0005515)的P值最高。詳見圖6。從圖7可以看到運用Cytoscape3.6.0軟件構建的KEGG網(wǎng)絡關系,其中,GO富集網(wǎng)絡中靶點的Degree值見表4,Degree值≥3的GO生信條目見表5。圖8是篩選出來的1個相關信號通路,即病灶黏附途徑,其中富集的靶基因以橙色表示。
2.6分子對接
首先進行分子對接的受體蛋白的制備,關鍵靶基因對應的蛋白結構見表6。將關鍵靶基因與四君子湯中重要的有效成分進行分子對接,結合能分數(shù)按照評分進行評價,評分越低,配體分子與受體蛋白的結合力越強。其中柚皮素(naringenin)與APOB的結合、與C1QB的結合最強。從圖9可以看出四君子湯中的5個有效成分與心力衰竭的9個靶點之間存在很強的相關性,得到的結合能分數(shù)見表7。
3討論
本研究采用網(wǎng)絡藥理學、微陣列數(shù)據(jù)分析、分子對接等方法,探討四君子湯治療心力衰竭的作用機制。
3.1心力衰竭靶點數(shù)據(jù)庫
從GEO數(shù)據(jù)庫中下載GSE16499的微陣列數(shù)據(jù)集,分析得到了371個心力衰竭的差異表達基因,其中FCN3、SERPINA3和NPPA基因的P值最高。2013年Prohászka等[44]研究發(fā)現(xiàn)低水平的FCN3與心力衰竭的進展和結局相關。研究表明,SERPINA3基因參與了線粒體功能障礙和氧化磷酸化,可能成為心力衰竭新的診斷和治療靶點[45]。NPPA基因編碼心房利鈉肽的合成[46],其結構異常與心血管疾病的發(fā)病有因果關系,是預測心血管疾病發(fā)生的新興標志物[47]。
3.2“四君子湯心力衰竭”的網(wǎng)絡藥理學
共篩選出四君子湯的有效成分136個,靶點4134個。選擇其中的9個共同靶基因和對應的5個重要的有效成分進行后續(xù)分析,構建“四君子湯心力衰竭”PPI網(wǎng)絡。共同靶基因為BCL2、ALOX5、AKR1C1、APOB、C1QB、ABCG2、COL1A1、PLAT和SPP1,重要的有效成分為β谷甾醇、山柰酚、皮苷、槲皮素和甘草查爾酮A,僅存在于甘草和人參中。甘草和附子配伍可減輕心力衰竭的大鼠細胞凋亡和心肌細胞損傷進程[4849]。有研究表明,含有人參的一些中成藥在輔助治療中可以使心力衰竭病人受益[50]。人參在轉化生長因子β1(TGFβ1)/Smad3通路的調控下,可以改善異丙腎上腺素誘導的心肌纖維化和心力衰竭,其機制可能與鈣調磷酸酶活化逆轉有關[5152]。在這5個化合物中,槲皮素和山柰酚的節(jié)點度較高,表明四君子湯對心力衰竭的治療具有重要作用。多酚類藥物,特別是槲皮素,可以抑制內皮功能障礙,進而誘導一氧化氮生成[5354]。有大鼠實驗證實山柰酚可延緩心肌細胞凋亡,并顯著降低血管緊張素Ⅱ刺激心肌成纖維細胞引起的炎癥和應激反應[5556]。柚皮素在小鼠實驗中可以減輕心肌肥厚和間質纖維化,可能與抑制磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)、細胞外調節(jié)蛋白激酶(ERK)和cJun氨基末端激酶(JNK)的信號通路有關[57]。β谷甾醇被認為具有抗氧化的心血管保護功能,廣泛用于心力衰竭的治療[58]。BCL2是一種影響細胞凋亡的原癌基因,在心力衰竭病人的心臟組織中發(fā)現(xiàn)其基因表達增加了近1倍[5960]。在小鼠實驗中,有證據(jù)表明ALOX5表達的降低是減輕動脈粥樣硬化的原因[61]。ALOX5變異基因型的亞群可以導致動脈粥樣硬化[62]。AKR1C1已經(jīng)被證實是一種新型左心力衰竭心肌生物標志物[63]。實驗證實,APOB/載脂蛋白A1(APOA1)的比值與心力衰竭的疾病進展相關[64]。PPI網(wǎng)絡顯示,TP53、BCL2和FN1是3個最重要的節(jié)點。TP53已被證實可以調節(jié)心臟代謝,從而導致心力衰竭[65]。通過GO富集和KEGG通路分析獲得了四君子治療心力衰竭的關鍵BP、CC、MF和信號通路,包括細胞對酸性化學反應(GO:0071229)、有機羥基化合物運輸(GO:0015850)、軸突再生(GO:0031103)、神經(jīng)元投射再生(GO:0031102)、內質網(wǎng)腔(GO:0005788)、三聚膠原蛋白(GO:0005581)、蛋白結合(GO:0005515)和病灶黏附信號通路。既往有研究表明,小鼠心臟中病灶黏附信號通路的增強可能會損害心功能,在2型糖尿病心力衰竭的進展中發(fā)揮重要作用,以及在血管內皮生長因子相關的內皮細胞遷移中具有關鍵作用[6668]。
3.3分子對接
分子對接結果顯示,柚皮素與APOB、C1QB的結合最強。有研究表明柚皮素與APOB有較強的結合活性,進而對脂質代謝產(chǎn)生影響[6970]。
綜上所述,四君子湯可以通過多靶點、生物過程、細胞組分、分子功能和信號通路在多個水平上作用于心力衰竭,對心力衰竭的治療有重要作用。
4結論
本研究應用網(wǎng)絡藥理學等方法,探索四君子湯治療心力衰竭特別是缺血性心力衰竭的分子機制。通過微陣列數(shù)據(jù)分析,篩選出四君子湯的136個有效成分、4134個相關靶點以及心力衰竭的371個差異表達基因。發(fā)現(xiàn)四君子湯與心力衰竭之間有9個共同作用靶點,其中四君子湯中有5個有效成分與之相關。對關鍵靶點進行GO富集和KEGG通路分析發(fā)現(xiàn),在生物過程中,細胞對酸性化學反應、有機羥基化合物轉運、軸突再生和神經(jīng)元投射再生的反應的重要性排在前4位;內質網(wǎng)腔、三聚膠原蛋白是排在前2位的細胞組分;蛋白質結合在分子功能分析中發(fā)揮了重要作用;病灶黏附信號通路是四君子湯治療缺血性心力衰竭的主要途徑。將14對化合物和靶蛋白通過AutoDockVina進行分子對接,結果表明這些配體和受體之間存在良好的結合活性。認為四君子湯治療缺血性心力衰竭的機制可能是多靶點、多途徑的直接或間接作用。本研究為四君子湯治療心力衰竭的研究提供了新的方向。
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(收稿日期:20220108)
(本文編輯郭懷?。?/p>
基金項目國家自然科學基金項目(No.81573922);深圳市醫(yī)療衛(wèi)生三名工程(No.SZSM201612033)
作者單位1.廣州