趙志恒,畢經(jīng)會(huì),葉詩(shī)潔,黃永康,閔 婷,王宏勛,3,王麗梅,3,
(1.武漢輕工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430023;2.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023;3.湖北省生鮮食品工程技術(shù)研究中心,湖北武漢 430023)
免疫缺陷?。↖mmunodeficiency Disease, IDD)是由遺傳或者后天因素造成免疫系統(tǒng)受損,表現(xiàn)為免疫力低下,可使患者發(fā)生感染、腫瘤等惡性疾病的幾率大大增加。由遺傳因素引發(fā)的稱為原發(fā)性免疫缺陷病,主要由基因突變引發(fā),包含STAT1、RAC2、IL6R等400 多種基因缺陷或突變[1]。獲得性免疫缺陷病多由病毒、惡性腫瘤、感染等后天性因素導(dǎo)致免疫功能出現(xiàn)暫時(shí)或永久性的損傷,如艾滋病。目前,針對(duì)免疫缺陷的治療手段如干細(xì)胞移植、免疫球蛋白替代療法以及抗病毒療法等可提高患者生存率,但治療費(fèi)用昂貴,且相關(guān)技術(shù)手段不夠成熟[2-3]。
黃芪和女貞子既是傳統(tǒng)中醫(yī)藥又均被衛(wèi)生部列入保健食品目錄,因具有良好的補(bǔ)益作用和豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,民間將其作為藥膳來應(yīng)用,可用于治療免疫力低下,促進(jìn)正常免疫功能的恢復(fù),輔助治療由腫瘤或其他疾病引起的虛損[4-5]。有研究指出黃芪-女貞子聯(lián)合高效抗逆轉(zhuǎn)錄療法能更好地幫助艾滋病患者的免疫系統(tǒng)重建,能夠提高T細(xì)胞免疫水平,起到增強(qiáng)療效的作用,并可降低患者的骨髓抑制發(fā)生率[6-7]。黃芪-女貞子含有的黃酮、多糖、皂苷、三萜、環(huán)烯醚萜等活性成分,對(duì)免疫系統(tǒng)有諸多調(diào)節(jié)功能,能夠增強(qiáng)體液免疫和細(xì)胞免疫等能力[8-9],在治療IDD上具有很大的潛力,但黃芪、女貞子治療IDD的具體機(jī)制尚未明確。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)合計(jì)算機(jī)分析、生物信息學(xué)等多學(xué)科,通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)分析各種化合物與網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系以此顯示中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制,其整體性和系統(tǒng)性與中藥多個(gè)成分作用不同靶點(diǎn)特點(diǎn)基本吻合[10-11]。本研究擬通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)篩選黃芪-女貞子干預(yù)IDD的潛在成分和作用靶點(diǎn),分析潛在靶點(diǎn)參與的生物過程和通路,來解釋黃芪-女貞子輔助治療IDD的作用機(jī)制。為開發(fā)IDD患者膳食補(bǔ)充劑提供理論依據(jù)。
在中藥系統(tǒng)藥理數(shù)據(jù)庫(kù)及分析平臺(tái)TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)[12]中搜集黃芪-女貞子中化學(xué)成分,以O(shè)B≥30%,DL≥0.18(OB:口服生物利用度,DL:類藥性)作為標(biāo)準(zhǔn)來搜集活性化合物,同時(shí)查找相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)沒入選但有相關(guān)活性研究的成分進(jìn)行補(bǔ)充,以此建立黃芪-女貞子活性成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。
各個(gè)活性成分.mol2格式文件來源于TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù),然后轉(zhuǎn)化為SMILES文件,TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)未檢索到的化合物到PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)下載SDF文件,再在Swiss Tagert Prediction數(shù)據(jù)庫(kù)[13]上傳各活性成分SMILES或SDF文件預(yù)測(cè)各化合物靶點(diǎn)(Probability>0),并以此建立黃芪-女貞子的活性成分靶點(diǎn)文件,在GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)查找“Immunodeficiency disease”搜集相關(guān)靶點(diǎn)(Relevance score>20)。將活性成分預(yù)測(cè)靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)繪制韋恩圖取交集為黃芪-女貞子治療IDD的潛在靶點(diǎn)。
獲取來的活性成分、潛在靶點(diǎn)和疾病靶點(diǎn)信息借助Cytoscape_v3.7.1將三者之間的關(guān)系構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)圖來闡述黃芪-女貞子治療IDD的有效機(jī)制。
在STRING數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索黃芪-女貞子治療IDD 的潛在81 個(gè)靶點(diǎn),設(shè)置目標(biāo)為智人(Homo sapiens),選擇置信度“evidence”,相互作用評(píng)分大于0.9,隱藏游離節(jié)點(diǎn),找到TSV文件并下載,用Cytoscape_v3.7.1打開進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)分析。
基于DAVID 6.8平臺(tái)進(jìn)行交集基因的GO和KEGG通路富集分析,GO分析包括生物過程、分子功能和細(xì)胞組分(BP、MF、CC),全部選擇P值<0.05和FDR<0.05的條目,得到潛在靶點(diǎn)參與的過程和作用通路,并根據(jù)P值排序選取靠前條目利用微生信平臺(tái)[10]進(jìn)行柱狀圖和氣泡圖可視化繪制。利用Cytoscape_v3.7.1的ClueGo和Cluepedia的插件對(duì)交集靶基因分析GO免疫系統(tǒng)過程,選擇使用GO術(shù)語(yǔ)融合和限制P值≤0.05,設(shè)置Level最小為4最大為7、最小富集基因數(shù)為3、Kappa Score為0.4,并構(gòu)建靶點(diǎn)-免疫過程網(wǎng)絡(luò)圖。
取PPI網(wǎng)絡(luò)中Degree(度)值排名前5作為受體蛋白,“活性成分-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)中活性成分節(jié)點(diǎn)度值排名靠前作為配體分子,登錄PDB數(shù)據(jù)庫(kù)[14]下載受體蛋白結(jié)構(gòu),利用PyMOL-2.3.4及AutoDockTools軟件對(duì)蛋白和配體分子進(jìn)行前處理,然后引用Vina進(jìn)行分子對(duì)接預(yù)測(cè)配體小分子與蛋白結(jié)合能,選擇最低結(jié)合能為最優(yōu)構(gòu)象。將受體配體對(duì)接文件經(jīng)PyMOL處理后上傳至Plip在線網(wǎng)站將驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行可視化。
在TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)中黃芪(HQ)檢索到20種化合物,女貞子(NZZ)檢索到13種化合物,兩味藥共檢索到31 種化合物,包括白樺脂酸、華良姜素、常春藤皂苷元等,其中,槲皮素(A1)和山奈酚(A2)為兩味藥共有成分,同時(shí)查找文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)黃芪中黃芪多糖、黃芪總皂苷以及女貞子中的齊墩果酸、熊果酸、紅景天苷對(duì)免疫有調(diào)節(jié)作用[9,15-16],故將以上成分補(bǔ)充共計(jì)36種成分建立黃芪-女貞子活性成分?jǐn)?shù)據(jù)集,見表1。
表1 黃芪-女貞子活性成分信息Table 1 Information on active components of Astragalus and Ligustrum lucidum
Swiss Tagert Prediction平臺(tái)得到黃芪22個(gè)成分對(duì)應(yīng)429個(gè)靶點(diǎn),女貞子16個(gè)成分對(duì)應(yīng)491個(gè)靶點(diǎn),將黃芪、女貞子對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)合并刪除重復(fù)值共得到有效靶點(diǎn)491個(gè),在GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)得到免疫缺陷病相關(guān)靶點(diǎn)共609個(gè),與黃芪-女貞子預(yù)測(cè)靶點(diǎn)共有靶點(diǎn)81個(gè)包括TNF和ADA等,見圖1和表2。
表2 黃芪-女貞子治療IDD潛在靶點(diǎn)Table 2 Potential target of Astragalus and Ligustrum lucidum in the treatment of IDD
圖1 黃芪-女貞子靶點(diǎn)和免疫缺陷病靶點(diǎn)韋恩圖Fig.1 Wayne diagram of Astragalus-Ligustrum lucidum target and immunodeficiency disease target
利用Cytoscape_v3.7.1軟件繪制黃芪-女貞子治療IDD的“活性成分-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)圖(如圖2)。網(wǎng)絡(luò)圖共涉及Nodes(節(jié)點(diǎn))113個(gè),Edges(邊)428條。圖中黃色方塊代表黃芪活性成分,綠色方塊代表女貞子活性成分,紅色圓圈代表黃芪-女貞子共有成分,藍(lán)色菱形代表藥物干預(yù)疾病潛在靶點(diǎn),紫色三角代表疾病,以degree值大小設(shè)置節(jié)點(diǎn)面積大小并按大小順序進(jìn)行排列篩選,排名前5的活性成分為NZZ11(木犀草素)、HQ16(異琥珀酰氨醇)、HQ10(美迪紫檀素)、HQ2(華良姜素)和A2(山奈酚),推測(cè)這些化合物可能是黃芪-女貞子治療免疫缺陷病的主要活性成分。
圖2 活性成分-潛在靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Active ingredients-potential targets-disease network diagram
從網(wǎng)絡(luò)圖中可以預(yù)測(cè)黃芪-女貞子36個(gè)成分中共有31個(gè)活性成分可作用于IDD,另外5種成分沒有對(duì)應(yīng)IDD靶點(diǎn),其中,多數(shù)成分在已有研究中具有良好的免疫調(diào)節(jié)作用。如槲皮素除了可以增強(qiáng)環(huán)磷酰胺(CTX)的抗腫瘤作用,還可以提高免疫缺陷小鼠的外周血白細(xì)胞數(shù)目和巨噬細(xì)胞吞噬作用,促進(jìn)T細(xì)胞、B細(xì)胞增殖來修復(fù)CTX所造成的免疫抑制[17-18];山奈酚可以抑制小鼠淋巴細(xì)胞凋亡和活化的促炎因子,提高淋巴細(xì)胞活力,增加抗炎細(xì)胞因子和CD4+T水平(T淋巴細(xì)胞)來提高免疫力[19-20];紅景天苷可以促進(jìn)小鼠T/B淋巴細(xì)胞增值率,從而提高免疫功能[21],可以增加宿主RIG-I等天然免疫因子,提高宿主免疫力,同時(shí)可激活I(lǐng)RF-3基因,增加Ⅰ型干擾素的表達(dá)以發(fā)揮其抗病毒作用[22];季宇彬等[23]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤模型小鼠經(jīng)黃芪多糖給藥后可有助于其改善紅細(xì)胞生理功能,增強(qiáng)紅細(xì)胞CR1免疫活性、恢復(fù)免疫功能;圣草酚具有一定的抗氧化活性,可以增強(qiáng)NK細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的殺傷活性發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[24]。IDD患者免疫系統(tǒng)受損,而這些活性物質(zhì)可以增強(qiáng)B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞活性,推測(cè)黃芪-女貞子可通過激活免疫系統(tǒng)來干預(yù)IDD。異鼠李素可抑制金黃色葡萄球菌的α溶血素表達(dá)而產(chǎn)生一定的抑菌作用[25];木犀草素可降低IL-6和TNF-α的表達(dá)來降低大腸埃希菌對(duì)呼吸道上皮細(xì)胞的感染,還可以影響一些參與自噬的信號(hào)分子以阻止癌癥的發(fā)展,如促進(jìn)Beclin-1的表達(dá)刺激細(xì)胞自噬來誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞死亡[26-27]。IDD患者由于免疫屏障被破壞從而會(huì)引發(fā)惡性腫瘤、感染、自身免疫性疾病等復(fù)雜性疾病,如上述,不同有效活性成分具有不同藥理作用,不僅能夠調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng),還有抑制腫瘤、抗感染等作用,體現(xiàn)了中藥干預(yù)疾病發(fā)展的整體性和綜合性。
將STRING數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到的81個(gè)潛在靶點(diǎn)繪制成PPI網(wǎng)絡(luò)圖(如圖3),該網(wǎng)絡(luò)圖包含73個(gè)節(jié)點(diǎn)和293條邊,平均節(jié)點(diǎn)度值為8,有8個(gè)游離節(jié)點(diǎn)被隱藏。圓形節(jié)點(diǎn)大小表示度(degree)值,連線粗細(xì)和顏色深淺表示結(jié)合分?jǐn)?shù),度值越大表示該靶點(diǎn)越關(guān)鍵,根據(jù)PPI網(wǎng)絡(luò)圖分析可知,MAPK1、PIK3CA、STAT3、PIK3R1、SRC、AKT1、HRAS等靶點(diǎn)可能是黃芪-女貞子治療IDD的關(guān)鍵靶點(diǎn)。
圖3 黃芪-女貞子治療IDD靶點(diǎn)蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Target protein interaction network diagram of Astragalus-Ligustrum lucidum in the treatment of IDD
IDD的主要原因在于免疫系統(tǒng)遭到破壞從而導(dǎo)致系統(tǒng)疾病,因此,治療IDD的重點(diǎn)在于幫助患者免疫重建,同時(shí)對(duì)于由免疫缺陷而引發(fā)的病癥也進(jìn)行對(duì)癥治療,如炎癥、腫瘤等[2]。信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子-3(STAT3)是細(xì)胞存活和凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,其可參與IL-6信號(hào)通道和誘導(dǎo)IL-17A、IL23受體、干擾素調(diào)節(jié)因子4等與Th-17細(xì)胞分化和增殖等相關(guān)基因的表達(dá),STAT3的過度激活會(huì)影響T細(xì)胞發(fā)育造成免疫抑制,影響促炎介質(zhì)的產(chǎn)生和抑制抗原呈現(xiàn)從而降低免疫細(xì)胞的抗腫瘤作用[28-29],同時(shí)STAT3突變也會(huì)導(dǎo)致IDD的發(fā)生[30],SRC家族激酶是非受體酪氨酸激酶,包含Lck、Fyn、Lyn等具有相似結(jié)構(gòu)功能的成員,在免疫應(yīng)答等生理過程有重要作用[31],相關(guān)研究指出SRC家族激酶作為一個(gè)整體參與了人外周血T細(xì)胞抗原受體的下調(diào),抑制Lck和Fyn的表達(dá)會(huì)損傷T細(xì)胞的激活和效應(yīng)功能[32]。AKT1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞功能,JIA等[33]發(fā)現(xiàn)AKT1參與抑制HIF-α依賴的糖酵解途徑來調(diào)節(jié)髓源性抑制細(xì)胞的免疫抑制活性,對(duì)炎癥損傷有保護(hù)作用。這些靶點(diǎn)主要涉及免疫細(xì)胞增殖分化和炎癥反應(yīng)的調(diào)控,推測(cè)黃芪-女貞子活性成分通過作用于這些靶點(diǎn)來減輕免疫抑制,促進(jìn)免疫細(xì)胞發(fā)育,以及抗腫瘤從而綜合干預(yù)IDD。
DAVID 6.8平臺(tái)中通過選擇“Homo sapiens”限制P值<0.05和FDR<0.05得到81個(gè)交集基因涉及152條生物過程(Biological Process,BP),33條細(xì)胞組分(Cellular Component,CC),40條分子功能(Molecular Function,MF)。根據(jù)P值從小到大篩選BP、CC和MF排名前十繪制柱狀圖(如圖4)。生物過程主要涉及藥物反應(yīng),MAP激酶活性的正向調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)磷酸化的正向調(diào)節(jié)等;細(xì)胞組分中主要影響細(xì)胞溶質(zhì)、質(zhì)膜、膜筏等;分子功能包括相同蛋白結(jié)合、不同蛋白結(jié)合、酶結(jié)合等。KEGG富集分析結(jié)果顯示81個(gè)交集基因涉及91條KEGG通路,同樣根據(jù)P值排序靠前的有Pathways in cancer、Prostate cancer、Glioma和Hepatitis B等通路 (如圖5)。此外,將黃芪-女貞子干預(yù)免疫缺陷病81個(gè)潛在靶點(diǎn)基因?qū)隒lueGo插件進(jìn)行GO免疫系統(tǒng)過程分析,得到36個(gè)靶點(diǎn)共涉及到α-βT細(xì)胞活化等23條免疫系統(tǒng)過程,見圖6。圖中方形排列代表黃芪-女貞子干預(yù)IDD的相關(guān)靶點(diǎn),外圈圓形排列代表免疫系統(tǒng)過程。
圖4 黃芪-女貞子治療IDD靶點(diǎn)GO富集分析柱狀圖Fig.4 Histogram of GO enrichment analysis of Astragalus and Ligustrum lucidum in the treatment of IDD
圖5 黃芪-女貞子治療IDD靶點(diǎn)KEGG通路富集分析氣泡圖Fig.5 Enrichment analysis of KEGG pathway in Astragalus and Ligustrum lucidum in the treatment of IDD
圖6 潛在靶點(diǎn)GO免疫系統(tǒng)過程網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 Network diagram of potential targets GO immune system process
GO富集分析表明黃芪-女貞子干預(yù)IDD涉及到藥物反應(yīng),MAP激酶活性的正向調(diào)節(jié)等生物過程,α-βT細(xì)胞活化、α-βT細(xì)胞分化等免疫系統(tǒng)過程,MAP激酶參與細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡等一系列生理活動(dòng),如巖白菜素可以刺激巨噬細(xì)胞MAP激酶激活產(chǎn)生抗分岐桿菌效應(yīng)分子從而給宿主提供免疫保護(hù)[34];KEGG富集分析顯示癌癥途徑、癌癥中的蛋白質(zhì)、乙肝、ErbB信號(hào)通路、HIF-1信號(hào)等通路可能是黃芪-女貞子干預(yù)免疫缺陷病的關(guān)鍵通路。有研究表明下調(diào)HIF-1信號(hào)通路可抑制腫瘤細(xì)胞增殖分化[35],鄧哲[36]發(fā)現(xiàn)薯蕷丸可通過HIF-1α信號(hào)通路增加腫瘤淋巴細(xì)胞CD8和CD4表達(dá)來殺死癌細(xì)胞。GO免疫系統(tǒng)過程分析結(jié)果顯示黃芪-女貞子可通過參與α-βT細(xì)胞活化等過程調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。本研究推測(cè)黃芪-女貞子參與多個(gè)生物過程和免疫過程,通過免疫和癌癥相關(guān)通路綜合作用于免疫缺陷病。
為了驗(yàn)證黃芪-女貞子活性成分對(duì)其干預(yù)疾病潛在靶點(diǎn)作用的可能性,選取了MAPK1、PIK3CA、STAT3、PIK3C1和SRC作為受體(PPI網(wǎng)絡(luò)圖節(jié)點(diǎn)排名前五),在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)下載受體蛋白晶體文件:MAPK1(PDB ID:4zxt)、PIK3CA(PDB ID:6pys)、STAT3(PDB ID:6njs)、PIK3C1(PDB ID:5sxb)和SRC(PDB ID:2bdj),根據(jù)受體蛋白原配體確定對(duì)接口袋,和圖2中度值排名前5的活性成分(NZZ11、HQ10、HQ16、HQ2、A2)在Vina軟件中進(jìn)行25次分子對(duì)接預(yù)測(cè)了靶點(diǎn)與成分之間的結(jié)合能(kcal/mol),見圖7。
圖7 主要活性成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)分子對(duì)接結(jié)合能熱圖Fig.7 Heat map of docking binding energy between main active components and key target molecules
一般認(rèn)為配體和受體結(jié)合能為負(fù)數(shù)就表示它們之間可以結(jié)合,結(jié)合能越小,其對(duì)接活性越大,發(fā)生作用的可能性越大,結(jié)合能小于-5 kcal/mol就代表兩者之間有良好的結(jié)合性。對(duì)接結(jié)果顯示A2(山奈酚)與SRC(2bdj)結(jié)合能最低,為-9.6 Kcal/mol,其次是NZZ11(木犀草素)與SRC(2bdj),結(jié)合能為-9.4 Kcal/mol,NZZ11(木犀草素)與PIK3CA(6pys),結(jié)合能為-8.9 Kcal/mol,將它們對(duì)接模式進(jìn)行可視化(如圖8)。A2(山奈酚)與SRC蛋白的LEU-273、VAL-281、LYS-295等氨基酸殘基形成疏水作用,與LYS-295、MET-341和GLY-344形成氫鍵,見圖8A;NZZ11(木犀草素)與SRC蛋白的VAL-281、ALA-293、LYS-295等氨基酸殘基形成疏水作用,與LYS-295、GLU-310、MET-341、GLY-344和ASP-404形成氫鍵,見圖8B;NZZ11(木犀草素)與PIK3CA蛋白的TRP-780、ILE-800、TYR-836等氨基酸殘基形成疏水作用,與LYS-802、ASP-810、VAL-851和SER-854氨基酸殘基形成氫鍵作用,見圖8C。分子對(duì)接結(jié)果顯示黃芪-女貞子的主要活性成分可以很好地與預(yù)測(cè)的主要潛在靶點(diǎn)結(jié)合在一起,驗(yàn)證了這些成分治療IDD的可能性。
圖8 結(jié)合活性較好的化合物與靶點(diǎn)蛋白分子對(duì)接示意圖Fig.8 Schematic diagram of docking of compounds with good binding activity with target protein molecules
本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)理論初步研究黃芪-女貞子治療IDD的活性成分、潛在靶點(diǎn)和作用途徑,黃芪-女貞子中木犀草素和槲皮素等活性成分作用于MAPK1、PIK3CA、STAT3等關(guān)鍵靶點(diǎn),通過免疫和癌癥相關(guān)通路綜合發(fā)揮輔助治療免疫缺陷病的作用。分子對(duì)接預(yù)測(cè)黃芪-女貞子主要活性成分與IDD關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)合能較低,具有良好的結(jié)合活性。黃芪-女貞子不僅能調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)還有抗感染、抗腫瘤等作用,體現(xiàn)了其在干預(yù)免疫缺陷病時(shí)具有整體性、系統(tǒng)性特點(diǎn),和中醫(yī)在診治疾病的標(biāo)本兼顧的思想基本吻合。本文初步解釋黃芪-女貞子在免疫缺陷病作用機(jī)制,為后續(xù)研究提供研究思路和方向,也為將黃芪-女貞子開發(fā)成調(diào)節(jié)免疫缺陷病患者身體機(jī)能的膳食補(bǔ)充劑提供參考。