程漢興,孫愛華,姜 穎(.北京蛋白質(zhì)組研究中心,蛋白質(zhì)組學國家重點實驗室,軍事醫(yī)學科學院放射與輻射醫(yī)學研究所,北京 02206;2.安徽醫(yī)科大學,合肥安徽 230032)
蛋白質(zhì)組技術在中藥配伍藥理學和毒理學機制研究中的應用
程漢興1,2,孫愛華1,姜 穎1
(1.北京蛋白質(zhì)組研究中心,蛋白質(zhì)組學國家重點實驗室,軍事醫(yī)學科學院放射與輻射醫(yī)學研究所,北京 102206;2.安徽醫(yī)科大學,合肥安徽 230032)
配伍用藥是中藥遣藥組方、辨證施治的主要形式和應用特點。組方的宜忌多來自前人經(jīng)驗的總結(jié),大多缺少相應的分子機制研究做配伍的理論支撐。作為規(guī)?;芯康鞍踪|(zhì)的工具,蛋白質(zhì)組技術可以從整體水平,較全面地呈現(xiàn)中藥多種有效成分進入機體后發(fā)揮的多途徑、多靶點調(diào)控過程,進而揭示中藥配伍發(fā)揮宜忌作用的分子機制。本文對近年蛋白質(zhì)組技術,包括雙向電泳、熒光雙向差異凝膠電泳技術和基于穩(wěn)定同位素標記的相對和絕對定量技術在中藥配伍宜忌和相應的藥理毒理學機制研究中的應用進行綜述,為進一步探討中藥配伍宜忌原理,更好地實現(xiàn)中藥現(xiàn)代化和實際臨床用藥發(fā)展提供理論指導基礎。
中藥配伍;蛋白質(zhì)組;藥理學;毒理學
中藥配伍組方是中醫(yī)臨床用藥的主要形式。中藥配伍后藥物間、藥物與機體間產(chǎn)生相互作用,形成最后的功效取向,增效減毒謂“宜”,增毒減效謂“忌”。中藥配伍過程中涉及到藥效和毒性問題,一直是中醫(yī)藥科學研究者關注的重中之重[1]。雖然古人并不了解具體的中藥化學組分,但結(jié)合辨證思想和臨床經(jīng)驗,配伍使用中藥一直是古人治療疾病的有效手段,并在此基礎上總結(jié)出“十八反”“十九畏”等一系列藥物配伍規(guī)律[2]。中藥成分復雜,配伍體系中存在多種藥物的宜忌協(xié)作,探索中藥配伍協(xié)同禁忌機制的分子生物學研究發(fā)展緩慢,影響了中藥現(xiàn)代化、國際化的進程。因此,研究中藥配伍宜忌機制已是研究者舉足重輕的任務之一[3]。
中藥配伍發(fā)揮宜忌效用的機制主要表現(xiàn)在兩個方面:①藥物間相互作用,主要表現(xiàn)在配伍藥在煎制過程中,由于化學物質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生致毒效應,或是有效毒性成分溶出。②藥物與機體間相互作用,包括藥物在體內(nèi)代謝的各個環(huán)節(jié),藥物原型及其代謝產(chǎn)物通過對相應蛋白質(zhì)及代謝酶的作用而影響彼此的藥代動力學過程,導致中藥配伍的增減效作用。
中藥進入人體后,通過多途徑、多靶點調(diào)控發(fā)揮作用,藥物間相互作用可引起機體相應靶器官/組織多種蛋白質(zhì)豐度的改變[4]。蛋白質(zhì)組作為規(guī)?;芯康鞍踪|(zhì)變化的技術平臺,可用于中藥配伍機制研究的大致包括以下幾類:①用于檢測藥物單用與配伍蛋白質(zhì)變化及藥理學和毒理學機制的差異蛋白質(zhì)組技術;②用于規(guī)?;瘷z測肝藥酶豐度的質(zhì)譜多反應監(jiān)測(multiple reaction monitoring,MRM)聯(lián)合同位素標記肽段技術;③用于中藥藥靶檢測的化學蛋白質(zhì)組技術。下面我們對各技術方法在中藥配伍研究中的應用作簡要綜述。
差異蛋白質(zhì)組技術研究思路是先通過蛋白質(zhì)組技術獲得一批藥物配伍前后豐度發(fā)生明顯變化的蛋白質(zhì),然后通過深入的功能或藥理學網(wǎng)絡分析,挖掘其可能的協(xié)同或禁忌機制的方法。差異蛋白質(zhì)組技術主要包括基于凝膠成像的雙向凝膠電泳(two dimensional gel electrophoresis,2-DE)技術,熒光雙向差異凝膠電泳技術(2-D fluorescence differential gel electrophoresis,2D-DIGE)[5]和基于穩(wěn)定同位素標記的相對和絕對定量技術(isobaric tagsfor relative and absolute quantitation,iTRAQ)[6]。
差異蛋白質(zhì)組學技術在中藥配伍協(xié)同機制研究中常用來證明配伍藥相對于單方有更好的治療作用。該法先通過蛋白質(zhì)組技術獲得藥物配伍前后豐度發(fā)生明顯變化的一批蛋白質(zhì),然后通過功能或藥理學網(wǎng)絡分析,挖掘其可能的協(xié)同或禁忌機制。芪參益氣方是臨床用于冠心病和心絞痛治療的中藥復方,主要由黃芪、丹參、三七和降香4味中藥組成。洪誠韜等[7]應用2-DE結(jié)合基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/Ionization time-of-flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS)技術,分析了該方全方及單獨給藥情況下對大鼠心肌組織蛋白質(zhì)表達的影響。結(jié)果表明,黃芪和三七的主要功能是維護細胞能量代謝和線粒體呼吸鏈功能,丹參通過改善細胞氧化應激作用保護心肌,各有效組分配伍形成的良好協(xié)同機制,復方治療效果優(yōu)于單藥。中藥復方茵陳蒿湯具有清熱、利濕和退黃之功效。臨床常用于治療急性黃疸型傳染性肝炎和膽囊炎等引起的黃疸。Wang等[8]采用差異蛋白質(zhì)組技術研究表明,相對于單藥處理組,該復方對與CCl4肝損傷相關的分子標志物(鋅指蛋白等)的逆轉(zhuǎn)作用更明顯,表明茵陳蒿湯復方藥物的協(xié)同治療作用優(yōu)于單藥。
在中藥的毒性機制研究方面,Pan等[9]應用2-DE聯(lián)合基質(zhì)輔助激光解吸/電離串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/Ionization tandem time-of-flight mass spectrometry,MALDITOF/TOF)技術分析蟾毒靈作用于HeLa細胞24 h后毒性作用,蛋白質(zhì)表達譜結(jié)果分析找到11個差異蛋白,其中核糖體蛋白和S-腺苷甲硫氨酸合成酶2表達顯著上調(diào),波形蛋白、核內(nèi)不均一核糖核蛋白C1、核內(nèi)不均一核糖核蛋白C2變體、核內(nèi)不均一核糖核蛋白K、熱休克蛋白27和人硒結(jié)合蛋白1等9個蛋白表達下調(diào),這些表達的蛋白主要影響細胞核酸代謝、DNA合成和骨架形成等生理學過程。黃芩與黃連是中醫(yī)臨床的常用配伍藥,為研究兩藥合用的代謝機制,Miao等[10]利用2-DE結(jié)合MALDITOF-MS技術分析黃芩或黃連單用以及配伍服用前后大鼠肝蛋白質(zhì)組變化情況,結(jié)果表明,差異蛋白質(zhì)主要為藥物代謝酶、二相藥物代謝酶和其他參與能量代謝、信號轉(zhuǎn)導和細胞骨架類的蛋白質(zhì),這些蛋白大都與藥代動力學過程或毒性機制發(fā)揮相關,可作藥物代謝研究的目標蛋白或毒性標志物。
在配伍禁忌機制研究方面,孫愛華等[12]采用DIGE聯(lián)合MALDI-TOF/TOF技術,探討藜蘆、人參配伍前后對大鼠肝功能及肝組織蛋白質(zhì)表達的影響。結(jié)果表明,藜蘆、人參合用可導致二硫鍵異構酶和碳酸酐酶明顯降低;谷氨酸脫氫酶及氨甲酰磷酸合成酶明顯升高。提示藜蘆與人參合用可能通過影響肝細胞內(nèi)與pH自穩(wěn)、蛋白折疊及氨基酸代謝相關酶的表達發(fā)揮增毒作用。為探討藜蘆人參配伍可能的增毒減效的作用機制提供了依據(jù)。
MRM聯(lián)合同位素標記技術用于中藥配伍研究主要圍繞肝細胞色素P450酶(cytochrome P-450,CYP450)展開。目前,常用方法有用絕對定量法(absolute quantification,AQUA)[13]、定量串聯(lián)體法(quantification concatamers,QconCAT)[14]、蛋白質(zhì)標準物絕對定量法(protein standard absolute quantification,PSAQ)[15]、細胞培養(yǎng)條件下穩(wěn)定同位素標記絕對定量技術法(absolute stable isotope labeling with amino acids in cell culture,abosolute SILAC)[16]和蛋白抗原表位標簽-細胞培養(yǎng)條件下氨基酸穩(wěn)定同位素標記技術法(protein epitope signature tags-stable isotope labeling with amino acids in cell culture,PrESTs-SILAC)[17]。其中QconCAT法克服了AQUA法化學合成同位素標記肽段費時費力、合成的肽段純度低和目標蛋白質(zhì)酶解不完全等影響定量準確性的缺陷,具有顯著優(yōu)勢。
藥物聯(lián)合應用時,一種藥物可通過誘導或抑制CYP450酶特定的亞型改變另一種藥物的代謝清除特性,導致機體產(chǎn)生不良反應,有時甚至產(chǎn)生致命傷害。
高度同源性是CYP450家族的一個顯著特點,由于以CYP450酶系為主的藥代酶與藥物相互作用關系密切,此領域日益受到藥理和毒理學的重視[18-20]。美國食品藥物管理局(FDA)要求每個新藥研究須確定參與代謝的CYP450酶亞型。CYP450酶參與代謝藥物過程形成的藥物相互作用,揭示配伍結(jié)果的利弊效果。目前,在中藥藥理研究中,沒有成熟的檢測參加藥物代謝過程的CYP450酶活性的方法,由于CYP450家族高度同源,缺乏特異性好的商品化抗體;mRNA豐度與蛋白質(zhì)豐度又不完全一致。在評估中藥配伍使用過程中,需要有評估中藥單用及配伍對肝藥酶的影響的高通量方法。MRM技術具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、準確度高及通量高的特點。MRM聯(lián)合同位素標記技術能很好地區(qū)分這些序列同源性較高CYP450亞型并進行定量,是分析中藥配伍對CYP450酶調(diào)控作用的新方法,通過預設候選靶蛋白特異肽段的離子對信息,對符合規(guī)則的離子進行信號記錄,減少復雜組分共流出物的干擾,進而提高低豐度蛋白質(zhì)的檢測靈敏度。CYP2C9與CYP2C19的氨基酸系列只有一個氨基酸不同。在對人體CYP450蛋白豐度變化監(jiān)測研究中,Kawakami等[21]根據(jù)該不同的氨基酸位點設計肽段,使用AQUA法成功定量人肝微粒體CYP2C9與CYPC19蛋白水平,并同時對其他9種CYP450進行定量。Liu等[22]采用AQUA法利用重型同位素標記合成肽段作內(nèi)標結(jié)合MRM方法測定CYP1A2,CYP2B6,CYP3A4,CYP3A5,CYP2C9,CYP2C19 和CYP2E1等7種中高豐度CYP450蛋白。Russell等[23]使用QconCAT法結(jié)合MRM質(zhì)譜分析對藥物代謝酶和膜轉(zhuǎn)運蛋白等21種蛋白進行了定量。我們實驗室也基于MRM聯(lián)合QconCAT技術建立了27種人肝藥酶和12種大鼠肝藥酶的高通量檢測方法,不同濃度的質(zhì)控樣本的方法學評估結(jié)果表明該方法重復性好,CV值<25%。精密度誤差為0.66%~3.09%,準確度誤差為1.33%~8.50%。滿足常規(guī)定量的要求。此外,MRM聯(lián)合QconCAT技術測得的肝藥酶CYP1A2和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶1A1的豐度與于Western蛋白印跡法測得的相對豐度有良好的相關性(r2分別為0.72和0.92)。對于同源性高達93%的CYP4F2和CYP4F3,我們也提供了很好的定量肽段,并成功進行定量。藥物代謝酶研究是中藥在肝代謝機制研究中的重要切入點,該方法的建立為探討中藥配伍對肝藥酶調(diào)控變化,以及中藥的藥理毒理學研究提供新技術支持。
中藥靶點的發(fā)現(xiàn)有助于深入了解機體針對配伍藥的多種有效成分所表現(xiàn)出來的協(xié)同或拮抗作用。如協(xié)同作用往往是多種藥物作用于同一靶點或同一通路的功能相近靶點,從而導致藥物作用相加或增強;拮抗作用大多因為作用相反的藥物競爭性拮抗效應相近靶點或不同的藥物作用于效應相反的不同靶點所致。
化學蛋白質(zhì)組學是利用能與靶蛋白質(zhì)發(fā)生特異性相互作用的化學小分子來干擾和探測蛋白質(zhì)組,在分子水平上系統(tǒng)揭示特定蛋白質(zhì)的功能及其與化學小分子的相互作用,從而準確找到化學小分子(包括藥物)的結(jié)合部位-作用靶點的組學研究方法[24]。
中藥復方黃黛片的配伍機制研究是應用化學蛋白質(zhì)組學進行中藥復方配伍機制研究的成功典范,第一次用中藥方劑“君、臣、佐、使”的配伍原則闡明了一個完全依據(jù)中醫(yī)理論研發(fā)出來的中藥復方黃黛片治療白血病的多成分多靶點作用機制。復方黃黛片的主要有效成分是四硫化四砷(A),靛玉紅(I)和丹參酮ⅡA(T)。Wang和Zhang等[25-26]基于有機砷為中心的化學蛋白質(zhì)組學技術(compound-centric chemical proteomics,CCCP),設計合成砷聯(lián)合生物素探針,并將其固定到具有生物相容性固相載體上,結(jié)合胞內(nèi)熒光定位技術,證實砷在細胞內(nèi)通過RBCC結(jié)構域直接結(jié)合早幼粒白血病-維甲酸受體α(promyelocytic leukemia-retinoic acid receptor alpha,PML-RARα),誘導蛋白構象變化進而促進其降解,使其分化成熟,急性早幼粒細胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)獲得緩解,從而揭示砷特異性治療APL分子機制。同時發(fā)現(xiàn)丹參酮和靛玉紅作為輔助藥物,協(xié)同促進PML-RARα泛素化并加快其降解,進一步促進白血病細胞的分化成熟,抑制癌細胞分裂增殖。復方黃黛片通過各組分的聯(lián)合應用,產(chǎn)生了大于3個組分加和的協(xié)同效應。證明化學蛋白質(zhì)組學技術在復方黃黛片有效成分篩選、治療APL靶蛋白的發(fā)現(xiàn)、中藥協(xié)同作用機制研究中發(fā)揮重要作用。
Liu等[27]發(fā)現(xiàn),自腺花香茶菜(Rabdosiaadenantha)中提取的腺花素能誘導APL細胞株(NB4)分化,誘導APL小鼠腫瘤衰退,延長其生存期。這種分化誘導效應不僅發(fā)生在對維甲酸敏感的白血病細胞,對維甲酸耐藥的白血病細胞也有明顯效果。研究者采用CCCP技術,用腺花素化學修飾生物素標記探針與相作用的蛋白復合物結(jié)合,發(fā)現(xiàn)腺花素特異性結(jié)合抗氧化蛋白超家族Ⅰ(peroxiredoxinⅠ,PrxⅠ)和抗氧化蛋白超家族Ⅱ(peroxiredoxinⅡ,PrxⅡ),尋找到腺花素的體內(nèi)靶蛋白是過氧化還原酶PrxⅠ和PrxⅡ,并揭示腺花素通過PrxⅠ/Ⅱ-H2O2-ERK1/2-C/增強子結(jié)合蛋白(enhancerbindingproteins,EBP)信號途徑誘導APL細胞分化,達到治療白血病的目的。Prx成員的表達水平與許多人體重要疾病如腫瘤、心血管病、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病等密切相關[28]。H2O2作為第二信使,也廣泛參與多種細胞信號通路的調(diào)控。該研究成果有助于后續(xù)研究者通過比較其他藥物靶蛋白與腺花素調(diào)控通路的生物學相關性,借助網(wǎng)絡生物學預測來闡明藥物聯(lián)合使用時各種藥物在分子水平上的協(xié)同作用和拮抗作用機制?;瘜W蛋白質(zhì)組學及其相關的分子對接技術、網(wǎng)絡生物學預測技術都將為基于藥靶的中藥配伍研究提供新的思路和方法。
中藥配伍機制研究是中藥現(xiàn)代化、國際化的必由之路,需要以中醫(yī)藥的傳統(tǒng)理論體系為指導,借助多種現(xiàn)代生物學的研究方法,多學科滲透,多技術輔助,才能全面深入地揭示中藥配伍過程中多成分、多靶點和多層次的調(diào)控過程?;诘鞍踪|(zhì)組技術研究中藥配伍機制已初步體現(xiàn)出可行性和合理性。但先進蛋白質(zhì)組技術在中藥配伍領域的應用仍明顯滯后。如高靈敏性、重復性好的DIGE和iTRAQ技術應用較少。已成功建立的多種藥物代謝酶豐度規(guī)?;瘷z測平臺,也由于人源藥物處理組織樣本較難獲得,細胞系樣本中肝藥酶豐度大幅衰減,尚未得到推廣應用。完善藥物處理的肝原代細胞培養(yǎng)模型和具有肝干細胞特性的HepRG細胞的誘導分化模型[29]是該法應用的可能渠道。另外,應用化學蛋白質(zhì)組學進行單小分子化合物藥靶尋找的研究較多,進行復方配伍機制探索的研究較少,有待深入。蛋白質(zhì)組技術的發(fā)展,聯(lián)合致力于蛋白質(zhì)間相互作用的實驗技術和網(wǎng)絡預測技術,有助于系統(tǒng)地分析中藥各有效成分在機體內(nèi)發(fā)揮作用的靶點和通路,構建多有效成分的立體作用模型,更清晰地闡述中藥配伍作用機制。
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(本文編輯:賀云霞)
Application of proteomics technologies pharmacology and toxicology mechanismsof in traditional Chinese medicine compatibility study
CHENG Han-xing1,2,SUN Ai-hua1,JIANG Ying1
(1.State Key Laboratory of Proteomics,Beijing Proteome Research Center,Institute of Radiation Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 102206,China;2.Anhui Medical University,Hefei 230032,China)
Traditional Chinese medicine(TCM)compatibility is related to the safety of clinical use of drugs and embodies the essence of interactions between drugs and organisms.This is a scientific problemthatrhasattractedmoreattention.Currently, mostoftheknowledgeonTCM compatibility is from predecessors′experience.The corresponding molecular biology mechanism is poorly understood.As a powerful tool to identify a large number of proteins simultaneously,proteomics technology has the potential to reveal the protein alterations under certain conditions,and to provide more direct insights into biological processes during TCM compatibility.In this paper,we introduced the main technology of proteomics,including two dimensional gel electrophoresis,2D-DIGE,iTRAQ,QconCAT/MRM and chemical proteomics.Also,the applications of these technologies in the field of TCMM compatibility study were reviewed.
compatibility(TCD);proteome;pharmacology;toxicology
The project supported by National Basic Research Program of China(973 Program)(2011CB505300);and National Basic Research Program of China(973 Program)(2011CB505304)
JIANG Ying,Tel:(010)80727777-1213,E-mail:jiangying304@hotmail.com
R965.2;R285.5
A
1000-3002-(2015)06-0973-06
10.3867/j.issn.1000-3002.2015.06.015
國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2011CB505300);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2011CB505304)
程漢興,男,碩士研究生,主要從事中藥與肝蛋白質(zhì)組學研究,Tel:(010)80727777-1122,E-mail:chenghanxing09@126.com;姜 穎,研究員,從事肝生理、病理過程相關的蛋白質(zhì)組研究。
姜 穎,Tel:(010)80727777-1213,E-mail:jiangying304@hotmail.com
(2015-09-02接受日期:2015-11-09)