基于系統(tǒng)藥理學(xué)探討莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬的作用機(jī)制

王佳慧，何文星，黃茹君，何佳禧，黎小清，鄭 洋，汪 磊

莪術(shù)是姜科植物蓬莪術(shù)(CurcumaphaeocaulisVal)，廣西莪術(shù)(C.kwangsiensisS.G.Leeet.C.F.Liang)的干燥根莖，具有行氣破血、消積止痛之功，對(duì)脅痛等有效果[1]。莪術(shù)醇是莪術(shù)的主要活性成分，具有抑制腫瘤細(xì)胞增殖、抗炎等作用[2]。目前對(duì)莪術(shù)醇的研究主要集中在癌癥以及慢性肝病領(lǐng)域。鐵超載和脂質(zhì)過(guò)氧化被認(rèn)為是鐵死亡的中心環(huán)節(jié)[3]。有研究[4]表明，誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，可以有效阻止肝纖維化的發(fā)展。細(xì)胞自噬是通過(guò)溶酶體降解自身組分以維持穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。細(xì)胞自噬對(duì)肝纖維化的調(diào)控是雙向的[5]。細(xì)胞自噬通過(guò)調(diào)節(jié)肝星狀細(xì)胞的脂質(zhì)代謝促進(jìn)肝纖維化的發(fā)展；另一方面，細(xì)胞自噬通過(guò)調(diào)控肝細(xì)胞在肝臟炎癥和肝臟代謝穩(wěn)態(tài)等細(xì)胞功能抑制肝纖維化的發(fā)展[6]。鐵死亡和細(xì)胞自噬在肝纖維化的發(fā)展中均發(fā)揮了重要作用，為了探究莪術(shù)醇和鐵死亡與細(xì)胞自噬之間的關(guān)系。該研究使用系統(tǒng)藥理學(xué)的方法對(duì)莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬的分子機(jī)制進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 莪術(shù)醇化學(xué)成分靶點(diǎn)預(yù)測(cè)本研究使用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺(tái)(TCMSP)(http:ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmsp.php)收集莪術(shù)醇藥效成分信息，保存為mol2格式文件，然后將其上傳PharmMapper(http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)?；诜聪蛩幮F(tuán)匹配法，選擇藥物的藥效團(tuán)模型, 設(shè)置最終產(chǎn)生300個(gè)蛋白構(gòu)象，得到與化合物相關(guān)的靶點(diǎn)名稱、基因名稱、Uniprot ID等結(jié)果。借助Uniprot(https://www.uniprot.org/)，對(duì)化合物預(yù)測(cè)產(chǎn)生的靶點(diǎn)進(jìn)行篩檢，只保留物種為“Homo sapiens”的靶點(diǎn)。

1.2 鐵死亡和細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)的獲取鐵死亡相關(guān)靶點(diǎn)是在FerrDb數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.zhounan.org/ferrdb)中獲取的，細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)在HAMdb(http://hamdb.scbdd.com/)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索獲取，從而構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建采用Venny2.1對(duì)莪術(shù)醇作用靶點(diǎn)與鐵死亡相關(guān)靶點(diǎn)；以及與細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)進(jìn)行交互處理，同時(shí)采用Venny2.1對(duì)三者共同靶點(diǎn)進(jìn)行交互處理，而后借助蛋白互作String數(shù)據(jù)庫(kù)獲取相關(guān)靶點(diǎn)互作信息，使用Cytoscape3.6.0將互作靶點(diǎn)進(jìn)行可視化處理。

1.4 生物信息學(xué)分析使用基因本體論(GO)注釋數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站(http://www.geneontology.org)，京都基因與基因組百科全書(KEGG)路徑富集分析(http://www.genome.jp/kegg/)對(duì)這些靶點(diǎn)進(jìn)行可視化和生物信息學(xué)分析。

2 結(jié)果

2.1 莪術(shù)醇作用靶點(diǎn)以及鐵死亡和細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)的確定使用Pubchem數(shù)據(jù)庫(kù)確認(rèn)了莪術(shù)醇的結(jié)構(gòu)，通過(guò)PharmMapper數(shù)據(jù)庫(kù)獲得了莪術(shù)醇的作用靶點(diǎn)300個(gè)，借助Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)化合物預(yù)測(cè)產(chǎn)生的靶點(diǎn)進(jìn)行篩檢與檢查，剔除重復(fù)、非人源與不規(guī)范的靶點(diǎn)，最終只得到了152個(gè)靶點(diǎn)。在FerrDb數(shù)據(jù)庫(kù)中選取抑制和促進(jìn)鐵死亡以及其標(biāo)志物，去除三者重復(fù)的靶點(diǎn)，最終獲得與鐵死亡關(guān)系密切的靶點(diǎn)259個(gè)，在HAMdb數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取了與細(xì)胞自噬關(guān)系密切的靶點(diǎn)796個(gè)。

2.2 關(guān)鍵靶點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析對(duì)莪術(shù)醇作用靶點(diǎn)和鐵死亡靶點(diǎn)進(jìn)行交互處理，得到14個(gè)共同靶點(diǎn)，分別是MAPK8、AKR1C2、ALB、MAPK1、MAPK14、DPP4、NOS2、AKR1C3、AKR1C1、PTGS2、SRC、HNF4A、NQO1、ALOX15；莪術(shù)醇與細(xì)胞自噬靶點(diǎn)交互處理得到21個(gè)靶點(diǎn)，分別是MAPK8、MAPK10、KDR、ALB、MAPK14、IGF1R、FKBP1A、MAPK1、HSP90AA1、PPARG、CTSB、CHEK1、PKM、NOS3、IRGM、PDPK1、GSK3B、NQO1、PRKCD、CAMKK2、NOS2；莪術(shù)醇與細(xì)胞自噬和鐵死亡共同重復(fù)靶點(diǎn)6個(gè)，分別是MAPK8、ALB、MAPK14、MAPK1、NOS2、NQO1，如圖1A所示。

莪術(shù)醇抗鐵死亡的14個(gè)靶點(diǎn)，借助String數(shù)據(jù)庫(kù)獲取其相互作用數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cytoscape3.6.0進(jìn)行可視化(如圖1B所示)，其中度值排名前5的分別是PTGS2、ALB、MAPK1、MAPK8、MAPK14，說(shuō)明這些靶點(diǎn)是關(guān)鍵靶點(diǎn)在這個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用，圖中節(jié)點(diǎn)的大小反映了度值的大小。

莪術(shù)醇抗細(xì)胞自噬的21個(gè)靶點(diǎn)，借助String數(shù)據(jù)庫(kù)獲取其相互作用數(shù)據(jù)，只獲得了19個(gè)靶點(diǎn)相互作用的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cytoscape3.6.0進(jìn)行可視化(如圖1C所示)，其中度值排名前5的分別是HSP90AA1、MAPK1、MAPK8、ALB、NOS3，說(shuō)明這些靶點(diǎn)是關(guān)鍵靶點(diǎn)在這個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用，圖中節(jié)點(diǎn)的大小反映了度值的大小。

莪術(shù)醇與鐵死亡和細(xì)胞自噬重復(fù)靶點(diǎn)6個(gè)，借助String數(shù)據(jù)庫(kù)獲取其相互作用數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cytoscape3.6.0進(jìn)行可視化(如圖1D所示)，其中度值排名前3的分別是MAPK1、MAPK8、ALB，說(shuō)明這些靶點(diǎn)是莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡以及細(xì)胞自噬的關(guān)鍵靶點(diǎn)，也反映了鐵死亡和細(xì)胞自噬之間的關(guān)系密切，圖中節(jié)點(diǎn)的大小反映了度值的大小。

圖1 莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)A：莪術(shù)醇作用靶點(diǎn)與鐵死亡以及細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)交互；B：莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡靶點(diǎn)互作網(wǎng)絡(luò)；C：莪術(shù)醇調(diào)控細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)互作網(wǎng)絡(luò)；D:莪術(shù)醇與鐵死亡和細(xì)胞自噬重復(fù)靶點(diǎn)互作網(wǎng)絡(luò)

2.3 關(guān)鍵靶點(diǎn)途徑和功能的富集分析從莪術(shù)醇作用的152個(gè)靶點(diǎn)中收集到14個(gè)調(diào)控鐵死亡的靶點(diǎn)，為了確定相關(guān)的途徑和功能，對(duì)這些可能的靶點(diǎn)按照P<0.01進(jìn)行了通路富集和GO功能分析。這些靶點(diǎn)的生物過(guò)程、分子功能以及細(xì)胞組分分別是對(duì)刺激的反應(yīng)、代謝過(guò)程、生物調(diào)節(jié)過(guò)程；細(xì)胞因子活力、抗氧化的能力、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活力；主要位于細(xì)胞器和細(xì)胞膜上，富集途徑主要包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)信號(hào)通路、花生四烯酸代謝通路、白細(xì)胞介素17(interleukin 17, IL-17)信號(hào)通路、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)信號(hào)通路等，具體見圖2。

從莪術(shù)醇作用的152個(gè)靶點(diǎn)中收集到21個(gè)調(diào)控細(xì)胞自噬的靶點(diǎn)，為了確定相關(guān)的途徑和功能，對(duì)這些可能的靶點(diǎn)按照P<0.01進(jìn)行了通路富集和GO功能分析。這些靶點(diǎn)的生物過(guò)程、分子功能以及細(xì)胞組分分別是細(xì)胞增殖、生長(zhǎng)、免疫過(guò)程；結(jié)合、抗氧化的能力、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活力；主要位于細(xì)胞器和細(xì)胞外，富集途徑主要包括NOD樣受體信號(hào)通路、自噬通路、FoxO信號(hào)通路、PI3K-Akt信號(hào)通路等，具體見圖3。

圖3 莪術(shù)醇調(diào)控細(xì)胞自噬相關(guān)靶點(diǎn)功能富集分析A：莪術(shù)醇調(diào)控細(xì)胞自噬靶點(diǎn)的GO分析；B：莪術(shù)醇調(diào)控細(xì)胞自噬靶點(diǎn)通路分析

從莪術(shù)醇作用的152個(gè)靶點(diǎn)中收集到了6個(gè)與細(xì)胞自噬和鐵死亡重復(fù)的靶點(diǎn)，為了確定相關(guān)的途徑和功能，筆者對(duì)這些可能的靶點(diǎn)按照P<0.01進(jìn)行了通路富集和GO功能分析。這些靶點(diǎn)的生物過(guò)程、分子功能以及細(xì)胞組分分別是生物過(guò)程的負(fù)調(diào)控、抗氧化的能力、主要位于細(xì)胞器，富集途徑主要包括ErbB信號(hào)通路、GnRH信號(hào)通路、HIF-1信號(hào)通路等，具體見圖4。

圖4 莪術(shù)醇與鐵死亡和細(xì)胞自噬重復(fù)靶點(diǎn)功能富集分析A：莪術(shù)醇與鐵死亡和細(xì)胞自噬重復(fù)靶點(diǎn)的GO分析；B：莪術(shù)醇與鐵死亡和細(xì)胞自噬重復(fù)靶點(diǎn)的通路分析

3 討論

鐵死亡是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4的含量下降，導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原平衡被打破，引起脂質(zhì)過(guò)氧化物積累，從而誘發(fā)細(xì)胞死亡的一種類型。細(xì)胞自噬主要由雙層膜結(jié)構(gòu)包裹衰老或受損的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)、病原微生物等形成自噬溶酶體，然后利用溶酶體中的各種水解酶降解所包裹的內(nèi)容物，為細(xì)胞提供物質(zhì)與能量來(lái)源，是細(xì)胞針對(duì)內(nèi)外環(huán)境變化的重要調(diào)節(jié)機(jī)制[7]。近年來(lái)細(xì)胞自噬與鐵死亡之間的調(diào)控關(guān)系受到廣大科研工作者的關(guān)注，對(duì)兩者之間的關(guān)系目前主要有三種觀點(diǎn)：相互促進(jìn)，雙氫青蒿素通過(guò)促進(jìn)鐵蛋白自噬，增加ROS活性氧積累，誘導(dǎo)急性髓細(xì)胞性白血病細(xì)胞鐵死亡，同時(shí)抑制自噬可以抑制細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[8]；相互獨(dú)立，有研究顯示西拉米辛和拉帕替尼聯(lián)用既可以誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，也可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡，但兩種死亡方式發(fā)生順序不同，提示鐵死亡過(guò)程與自噬過(guò)程獨(dú)立發(fā)生作用[9]；相互拮抗，抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞自噬活性可以誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生，并且增加了其對(duì)替莫唑胺的敏感性，提示自噬和鐵死亡之間存在拮抗關(guān)系[10]。

本研究通過(guò)系統(tǒng)藥理學(xué)的研究方法，對(duì)莪術(shù)醇調(diào)控兩種生理過(guò)程的可能機(jī)制進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，莪術(shù)醇可以通過(guò)PTGS2、ALB、MAPK1、MAPK8、MAPK14等靶點(diǎn)發(fā)揮調(diào)控鐵死亡的作用，這些靶點(diǎn)的功能主要集中在調(diào)控細(xì)胞增殖、抗氧化活性、轉(zhuǎn)錄活性，靶點(diǎn)的途徑主要集中在VEGF信號(hào)通路、TNF信號(hào)通路、缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)信號(hào)通路，這些結(jié)果表明莪術(shù)醇很有可能是調(diào)控炎癥反應(yīng)以及血管新生等過(guò)程影響鐵死亡的發(fā)生發(fā)展。莪術(shù)醇可以通過(guò)HSP90AA1、MAPK1、MAPK8、ALB、NOS3等靶點(diǎn)發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞自噬的作用，這些靶點(diǎn)的功能主要集中在調(diào)控細(xì)胞增殖、抗氧化活性、轉(zhuǎn)錄活性，靶點(diǎn)的途徑主要集中NOD樣受體信號(hào)通路、FoxO信號(hào)通路、PI3K-Akt信號(hào)通路，PI3K-Akt以及FoxO信號(hào)通路都是調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡、生長(zhǎng)的上游信號(hào)[11]。莪術(shù)醇可以通過(guò)ALB、MAPK1、MAPK8等靶點(diǎn)發(fā)揮調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬的作用，這些靶點(diǎn)的功能主要集中在調(diào)控細(xì)胞增殖、抗氧化活性，靶點(diǎn)的途徑主要集中在HIF-1信號(hào)通路，莪術(shù)醇調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬與HIF-1、VEGF信號(hào)通路以及HSP90AA1、NOS3等靶點(diǎn)關(guān)系密切，而這些靶點(diǎn)和通路與血管新生關(guān)系密切。說(shuō)明鐵死亡和細(xì)胞自噬是可以調(diào)控血管新生的過(guò)程，本研究將為莪術(shù)醇在慢性肝病的研究領(lǐng)域開拓新的視角，進(jìn)一步推動(dòng)廣西道地藥材莪術(shù)的開發(fā)與利用。鐵死亡和細(xì)胞自噬之間關(guān)系密切，但是具體的調(diào)控機(jī)制需要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上，本研究顯示莪術(shù)醇通過(guò)PTGS2、ALB、MAPK1等靶點(diǎn)發(fā)揮調(diào)控鐵死亡的作用，也可以通過(guò)HSP90AA1、MAPK1、MAPK8等靶點(diǎn)發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞自噬的作用，表明莪術(shù)醇可能通過(guò)調(diào)控鐵死亡和細(xì)胞自噬發(fā)揮藥理作用。