黃 燦, 牛 陽(yáng), 南 一, 袁 玲, 竇紅莉, 姜文婕
(1.寧夏醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)學(xué)院,銀川 750004; 2. 寧夏少數(shù)民族醫(yī)藥現(xiàn)代化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750004;3.寧夏醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,銀川 750004; 4. 陜西中醫(yī)藥大學(xué),咸陽(yáng) 712046)
新型冠狀病毒感染是一種人群普遍易感的傳染病[1]。目前針對(duì)新型冠狀病毒的3CL 蛋白酶抑制劑Paxlovid 是由奈瑪特韋和利托那韋聯(lián)合使用的一種藥物,另一種藥物阿茲夫定屬于RNA 聚合酶抑制劑,可抑制病毒復(fù)制或清除病毒,但這兩種臨床用藥均會(huì)導(dǎo)致肝功能異常,腹瀉、味覺(jué)減退,消化不良、胃食管反流、嘔吐,頭痛、肌肉酸痛等不良反應(yīng)[2-3]。千金藤素(cepharanthine,CEP)是從傳統(tǒng)中藥白藥子的塊根中提取的,其具有抗炎、抗菌、抗氧化、抗溶血和促進(jìn)抗體生成,提高機(jī)體免疫力的作用[4-5],臨床上用于治療肺部炎癥和急性肺損傷(acute lung injure,ALI),同時(shí)作為白細(xì)胞增生藥治療輻射引起的白細(xì)胞減少癥[6-8]。研究[9]顯示,10 μmmol·L-1的CEP 可抑制冠狀病毒復(fù)制的倍數(shù)為15 393 倍。CEP 具有明顯的抗急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)活性的能力,其實(shí)驗(yàn)療效優(yōu)于已獲批上市的瑞德西韋和帕羅韋德,可用于對(duì)抗COVID-19[10-12],但其作用通路機(jī)制尚不明確。故本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)篩選出CEP 化合物與疾病作用靶點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,同時(shí)對(duì)化合物-靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接,計(jì)算理化參數(shù),評(píng)價(jià)其相互作用,以期為CEP 抑制COVID-19 的作用機(jī)制和藥物開(kāi)發(fā)提供參考意義。
借助PubChem 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/),以“cepharanthine”為關(guān)鍵詞檢索其分子表達(dá)式、國(guó)際化學(xué)品標(biāo)識(shí)符及密鑰(international chemical identifier and key,InChIKey)、使用規(guī)范算法生成的線性描述代謝物結(jié)構(gòu)(canonicalization the simplified molecular-inout line-entry system,Canonical SMILES)、2D 結(jié)構(gòu)等信息,將Canonical SMILES 號(hào)導(dǎo)入SwissTargetPrediction 網(wǎng)站(http://www.swisstargetprediction.ch/)預(yù) 測(cè)CEP的靶點(diǎn)。
通過(guò)GeneCards 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.genecards.org/),以“novel coronavirus pneumonia”“new coronavirus pneumonia”和“COVID-19”為關(guān)鍵詞搜集疾病靶點(diǎn),合并刪除重復(fù)項(xiàng)。在Venny 2.1.0(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)中分別輸入CEP 和COVID-19 疾病的作用靶點(diǎn),得到“藥物-疾病”交集靶點(diǎn)。
把交集靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING 11.5(https://cn.string-db.org/)構(gòu)建PPI,將tsv 文件導(dǎo)入Cytoscape 3.9.0 軟件中進(jìn)行可視化。
將1.2 得到的交集靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://david.ncifcrf.gov/),選擇物種為“Homo sapiens”,P<0.05,其余為默認(rèn)值,進(jìn)行GO 生物功能分析和KEGG 通路富集分析。利用微生信(http://www.bioinformatics.com.cn/)在線繪圖工具,分別對(duì)GO 分析結(jié)果的生物過(guò)程(biological process,BP)、細(xì)胞組分(cellular component,CC)和分子功能(molecular function,MF)取P值最小的前10 個(gè)結(jié)果以及KEGG 的GeneInGO 值的前20 個(gè)結(jié)果作可視化處理。
為進(jìn)一步驗(yàn)證CEP 治療COVID-19 的作用關(guān)系,選用已被確定為SARS-CoV-2 的功能宿主受體ACE2 和3CLpro 分別與CEP 和文獻(xiàn)[13]推薦藥物作分子對(duì)接。
在PubChem 數(shù)據(jù)庫(kù)得到CEP 的分子表達(dá)式、InChIKey、Canonical SMILES、2D 結(jié)構(gòu)等信息(表1),并從SwissTargetPrediction 中預(yù)測(cè)到100個(gè)藥物靶點(diǎn)。
表1 千金藤素成分信息
根據(jù)上述方法共得到4 735 個(gè)疾病靶點(diǎn),與CEP 的靶點(diǎn)交集得到40 個(gè)共有靶點(diǎn)(圖1)。
圖1 CEP 與COVID-19 交集靶點(diǎn)圖
將40 個(gè)交集靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING 11.5 構(gòu)建PPI,將tsv 文件導(dǎo)入Cytoscape 3.9.0 軟件中刪除獨(dú)立節(jié)點(diǎn),根據(jù)度值(Degree)對(duì)其作可視化處理(圖2),圖中包含38 個(gè)節(jié)點(diǎn)和224 條邊。同時(shí)由Cytoscape 3.9.0 內(nèi)置分析功能分析得到各蛋白之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù),以Degree 大小為排序標(biāo)準(zhǔn),篩選出核心蛋白,其中可見(jiàn)核心靶點(diǎn):肉瘤(sarcoma,Src)基因、蛋白質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸激酶1(protein serine/threonine kinase 1,AKT1)、表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)等,見(jiàn)表2。
圖2 Cytoscape 3.9.0 軟件對(duì)PPI 作可視化處理
表2 排名前20 的交集靶點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)
GO 分析一共得到333 個(gè)條目,其中BP240條,CC31 條,MF62 條。利用P值分別篩選出前10 條作可視化處理(圖3)。主要涉及蛋白質(zhì)磷酸化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白激酶B 信號(hào)的正調(diào)控等生物學(xué)過(guò)程;BP 包括蛋白質(zhì)結(jié)合、ATP 結(jié)合、蛋白質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶活性等;CC 有質(zhì)膜、胞質(zhì)溶膠、細(xì)胞質(zhì)等。KEGG 篩選得到133 條,根據(jù)GeneInGO 值(基因在GO 中的數(shù)量)篩出前20條通路(圖4),其中有19 個(gè)靶點(diǎn)富集在PI3K-AKT信號(hào)通路、11 個(gè)靶點(diǎn)在MAPK 信號(hào)通路、8 個(gè)靶點(diǎn)在coronavirus disease - COVID-19 信號(hào)通路。根據(jù)KEGG 以及核心靶點(diǎn)結(jié)果繪制coronavirus disease-COVID-19 信號(hào)通路(圖5)。
圖3 GO 功能分析結(jié)果柱狀圖
圖4 KEGG 通路富集分析?;鶜馀輬D
圖5 coronavirus disease-COVID-19 信號(hào)通路
對(duì)重要靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接。對(duì)接分?jǐn)?shù)可評(píng)價(jià)結(jié)合活性:分?jǐn)?shù)<-5.0 kcal·mol-1說(shuō)明結(jié)合活性較好,分?jǐn)?shù)<-7.0 kcal·mol-1則說(shuō)明兩者之間有強(qiáng)烈的結(jié)合活性[14],即配體與受體結(jié)合構(gòu)象越穩(wěn)定,能量越低,分子與靶點(diǎn)蛋白作用越突出[15]。首先,CEP 與前8 個(gè)核心靶點(diǎn)蛋白分子對(duì)接(表3),CEP與靶蛋白的最低結(jié)合能均<-7.0 kcal·mol-1,說(shuō)明配體與受體可以自發(fā)緊密結(jié)合,即CEP 與COVID-19 的靶點(diǎn)具有較好的結(jié)合性。同時(shí),選取CEP 和文獻(xiàn)[13]推薦的5 種藥物分別與ACE2(PDB ID:1R42)和3CLpro(PDB ID:6LU7)進(jìn)行分子對(duì)接(表4),CEP 與COVID-19 的兩個(gè)受體蛋白結(jié)合能量值明顯最低,兩者相互作用關(guān)系更緊密;分子對(duì)接結(jié)果可視化可見(jiàn)空間上,CEP 能夠很好地嵌入病毒的蛋白酶活性位點(diǎn),蛋白構(gòu)象穩(wěn)定,說(shuō)明CEP 與COVID-19 能夠穩(wěn)定結(jié)合(圖6)。
表4 藥物活性成分與COVID-19 核心靶點(diǎn)分子對(duì)接
CEP 是抗COVID-19 和抗肺癌藥物,被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)為SARS-CoV-2 感染的候選治療藥物[16]。研究表明,CEP 可抑制SARS-CoV-2 病毒附著,阻止其進(jìn)入細(xì)胞,對(duì)新出現(xiàn)的SARS-CoV-2B.1.351 變異具有很強(qiáng)的療效[17],被用作SARS 的臨床前實(shí)驗(yàn)[18]。CEP 也有良好的抗COVID-19 療效,其安全性得到一定程度的驗(yàn)證[19];作為治療COVID-19 候選藥物的CEP可作用于病毒復(fù)制酶,能抑制核因子-κB(NF-κB)的活化、脂質(zhì)過(guò)氧化、一氧化氮(NO)的產(chǎn)生和環(huán)氧合酶的表達(dá),從而抑制病毒復(fù)制[20]。CEP 對(duì)人冠狀病毒OC43 和SARS-CoV 也具有抗病毒的特性[21],Wang 等[22]通過(guò)小鼠體內(nèi)模型發(fā)現(xiàn)CEP 可降低IL-1β、IL-6 和TNF-α 等炎性因子的表達(dá)量,具有抗炎特性;Ohashi 等[23]構(gòu)建了療效數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,結(jié)果顯示靜脈注射CEP 和口服奈非那韋的聯(lián)合用藥對(duì)COVID-19 患者有良好的協(xié)同效應(yīng),病毒清除比單獨(dú)使用奈非那韋早1.23 d,兩種藥物都顯示出抗病毒活性,其治療濃度在已獲批的人體適用濃度內(nèi),兩者同時(shí)使用的抗病毒效果更佳。芝加哥大學(xué)Drayman 等[24]篩選評(píng)估了所有FDA 提名的候選藥物,發(fā)現(xiàn)CEP 抗新冠病毒的EC50(引起50%最大效應(yīng)的濃度,越低越好)只需0.1 mol·L-1,遠(yuǎn)低于其他候選藥,說(shuō)明CEP的抗新冠病毒活性優(yōu)異。Fan 等[25]通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法進(jìn)一步解釋了CEP 抗COVID-19 的機(jī)制,認(rèn)為CEP 主要通過(guò)干擾細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng),逆轉(zhuǎn)受感染細(xì)胞中大多數(shù)失調(diào)的基因和通路,從而發(fā)揮抗冠狀病毒效果;同時(shí)對(duì)數(shù)千種藥物進(jìn)行了高通量篩選,發(fā)現(xiàn)中藥單體化合物CEP 具有較強(qiáng)的抗新冠病毒活性。Jiang 等[26]從分子水平證實(shí)了CEP 治療COVID-19 的潛在機(jī)制,為快速發(fā)現(xiàn)有效的COVID-19 治療藥物提供了新的線索和理論依據(jù)。因此,進(jìn)一步研究CEP 對(duì)COVID-19 的潛在作用變得至關(guān)重要。
在核心靶點(diǎn)中,Src 蛋白是細(xì)胞質(zhì)中的酪氨酸專一性蛋白激酶,與質(zhì)膜的細(xì)胞質(zhì)膜相結(jié)合后可調(diào)控細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化,并且其生成物可高度激活多種腫瘤細(xì)胞[27]。Src 激酶家族在病毒生命周期中起著關(guān)鍵作用,與SARS-CoV-2復(fù)制有關(guān)[28]。研究[29]表明,酪氨酸激酶Src 在SARSCoV-2 滴度上呈劑量依賴性降低。AKT1 是PI3K下游的重要蛋白,PI3K 激活后可募集活化AKT1進(jìn)而激發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞活化和細(xì)胞增殖,促進(jìn)上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化,會(huì)加重肺部炎癥損傷,釋放多種炎性因子[30]。EGFR 是上皮生長(zhǎng)因子(EGF)細(xì)胞增殖和信號(hào)傳導(dǎo)的受體,與配體結(jié)合后能夠激活PI3K-AKT 信號(hào)傳導(dǎo)通路,繼而觸發(fā)基因轉(zhuǎn)錄,同時(shí)控制細(xì)胞增生、分化和生存。SARS-CoV-2感染時(shí)肺損傷可導(dǎo)致EGFR 過(guò)表達(dá)[31],引發(fā)促炎反應(yīng),易導(dǎo)致肺纖維化。古巴分子免疫中心的研究團(tuán)隊(duì)使用抗EGFR 抗體治療COVID-19 患者,結(jié)果表明抗EGFR 抗體可改善疾病的炎癥,并抑制肺纖維化[32]。主要存在于真核生物中的mTOR是一種AKT1 激酶,可整合多類細(xì)胞刺激信號(hào),調(diào)節(jié)下游細(xì)胞因子的表達(dá),進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、自噬與凋亡,促進(jìn)物質(zhì)代謝,參與分化免疫細(xì)胞[33]。mTOR 及其組成的相關(guān)信號(hào)通路在哮喘的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[34],mTOR 能抑制人肺泡上皮細(xì)胞,刺激微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)的表達(dá)進(jìn)一步激活自噬,釋放炎性介質(zhì)從而調(diào)控肺泡上皮細(xì)胞的損傷機(jī)制[35]。研究[36-37]表明,抑制mTOR 可誘導(dǎo)自噬細(xì)胞凋亡從而減少SARSCoV-2 引起的炎性反應(yīng)??梢?jiàn)CEP 作用于COVID-19 時(shí),多靶點(diǎn)參與炎性反應(yīng)。
在GO 條目中BP 條目占比最大,為72.1%,CC 占9.3%,MF 占18.6%。CEP 治療COVID-19的GO 分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)磷酸化是重要的生物學(xué)過(guò)程,波士頓醫(yī)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2病毒會(huì)使肺細(xì)胞陷入混亂,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)蛋白磷酸化頻率發(fā)生異常變化,從而加速病毒繁殖,最終破壞細(xì)胞,造成廣泛的肺損傷[38]。SARS-CoV-2病毒的S 蛋白與ACE2 結(jié)合后,宿主細(xì)胞表面的其他蛋白會(huì)啟動(dòng)病毒外膜與細(xì)胞膜融合,將病毒RNA 注入細(xì)胞,由此推斷CEP 可能通過(guò)阻止病毒入侵宿主細(xì)胞的膜融合,抑制SARS-CoV-2 病毒復(fù)制[39]。KEGG 通路富集分析可知,PI3K-AKT 信號(hào)通路在RNA 病毒復(fù)制和治療肺炎過(guò)程中可誘導(dǎo)抗體反應(yīng),上調(diào)抗病毒蛋白,直接抑制病毒復(fù)制,亦能激活先天免疫,清除病毒,有利于肺組織重構(gòu)[40]。同時(shí),PI3K-AKT 信號(hào)通路調(diào)控細(xì)胞增殖和凋亡,在低氧環(huán)境下PI3K 被激活使下游AKT 磷酸化,增強(qiáng)HIF-1 的活性,啟動(dòng)下游靶標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)細(xì)胞增殖,抑制細(xì)胞凋亡[41]。研究[42]發(fā)現(xiàn),SARS-CoV-2 感染可激活PI3K-AKT 調(diào)控下游的mTOR 蛋白激酶,抑制自噬,降低異常增殖的肺成纖維細(xì)胞的凋亡,從而促進(jìn)肺纖維化,并促進(jìn)病毒蛋白快速合成。也有研究[43]表明,SARS-CoV-2 病毒通過(guò)表面S 蛋白與ACE2 結(jié)合,借助網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)而在細(xì)胞內(nèi)形成內(nèi)體,且該途徑受PI3K-AKT 信號(hào)通路調(diào)控。同時(shí),MAPK14、EGFR、MMP1、MMP3、PIK3CA、PIK3CB、PIK3CD、PRKCA 這些與病毒感染、免疫反應(yīng)、炎性反應(yīng)相的蛋白富集在coronavirus disease-COVID-19信號(hào)通路上[44],SARS-CoV-2 的S 蛋白表位在免疫球蛋白G(IgG)和受體結(jié)合期間體現(xiàn)出一定的親和力[45],抗SARS-CoV-2 表面S 蛋白的IgG滴度主要參與嚴(yán)重的SARS-CoV-2 感染,與FcγRⅡA 受體結(jié)合促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase,SYK)的表達(dá),進(jìn)一步激活PI3KAKT 信號(hào)通路;PIK3CA、PIK3CB、PIK3CD 為PI3K的催化亞基,主要通過(guò)PI3K-AKT 發(fā)揮生物學(xué)作用,PI3K 的下游蛋白甘油二酯(diacylglycerol,DAG)在Ca2+的協(xié)同下激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),引起級(jí)聯(lián)反應(yīng),進(jìn)行細(xì)胞應(yīng)答,并促使PKC 由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜上,觸發(fā)微生物表面的肌動(dòng)蛋白聚合,由此產(chǎn)生的力可推動(dòng)病毒穿過(guò)細(xì)胞質(zhì),并啟動(dòng)細(xì)胞吞噬作用,肌動(dòng)蛋白又參與骨骼肌質(zhì)量的調(diào)節(jié),故感染SARS-CoV-2 又多有關(guān)節(jié)肌肉酸痛的癥狀。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)多種SYK 和PI3K 抑制劑可抵消抗S 免疫復(fù)合物介導(dǎo)的炎性反應(yīng)[46]。ACE2 可通過(guò)Src 家族通路、PI3K 通路,分別激活NF-κB 通路、P38(MAPK14)信號(hào)通路,進(jìn)而上調(diào)MMP1、MMP3 等炎性因子的表達(dá),過(guò)度激活炎性細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞,引起肺組織損傷,從而導(dǎo)致ALI 和嚴(yán)重急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)。故推測(cè)CEP 作用于COVID-19 時(shí),主要通過(guò)PI3K-AKT、coronavirus disease-COVID-19 信號(hào)通路調(diào)控炎性反應(yīng),同時(shí)有大量靶標(biāo)蛋白參與細(xì)胞增殖、凋亡與自噬,抑制病毒復(fù)制,參與肺組織重構(gòu),從而改善呼吸系統(tǒng)環(huán)境,提示了新冠病毒感染的關(guān)鍵機(jī)制和途徑。
ACE2 是新冠病毒侵入細(xì)胞的受體蛋白[47],其遺傳機(jī)制是COVID-19 基礎(chǔ)研究及防診治的關(guān)鍵[48],血漿中ACE2 蛋白水平在遺傳上與COVID-19 重癥有遺傳正相關(guān)且具有增加COVID-19 感染、住院和重癥風(fēng)險(xiǎn)的因果效應(yīng)。ACE2 可以保護(hù)肺部免受ALI,SARS-CoV 的S 蛋白與ACE2 結(jié)合,則ACE2 下調(diào),即刻出現(xiàn)ALI 和肺水腫,產(chǎn)生大量炎性因子進(jìn)而促使呼吸衰竭。SARS-CoV-2產(chǎn)生的主要蛋白酶3CLpro 是冠狀病毒復(fù)制所必需的酶,在病毒感染與復(fù)制中發(fā)揮著重要作用,可作為有效的抗病毒藥物靶點(diǎn)[49]。有研究表明,3CLpro 切割位點(diǎn)在SARS、MERS 病毒和2019-nCoV 冠狀病毒中屬“高度保守”區(qū)域,對(duì)冠狀病毒的變異株保有高度活性,加上人類在HIV 蛋白酶抑制劑上的成功經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為3CLpro 是廣譜抗冠狀病毒藥物的有效靶點(diǎn),3CLpro 抑制劑能夠有效抑制病毒的感染與復(fù)制[50],發(fā)揮抗病毒的作用。SARS-CoV-2 病毒的Polyprotein 1a 和Polyprotein 1ab 在多個(gè)位點(diǎn)被3CLpro 切割,產(chǎn)生對(duì)病毒復(fù)制至關(guān)重要的非結(jié)構(gòu)蛋白,因此阻止這種切割會(huì)抑制病毒復(fù)制和增殖[51],根據(jù)分子對(duì)接圖的結(jié)合位點(diǎn)可知,CEP 能與其活性氨基酸殘基結(jié)合,并深入其結(jié)合口袋,由此推斷CEP 可能對(duì)3CLpro 具有一定抑制作用。本研究將以上兩個(gè)COVID-19重要受體分別與CEP 和5 種抗病毒藥物做分子對(duì)接驗(yàn)證,顯示CEP 與COVID-19 受體均能緊密結(jié)合,結(jié)合能分別為-9.5 kcal·mol-1和-8.4 kcal·mol-1,因此更有優(yōu)勢(shì),穩(wěn)定性最佳。故推測(cè),CEP 在治療COVID-19 中具有潛在的成藥性,能夠發(fā)揮積極作用,但需要進(jìn)一步的藥效學(xué)驗(yàn)證。
綜上可知,本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測(cè)CEP 可能通過(guò)調(diào)節(jié)PI3K-AKT、coronavirus disease-COVID-19 等信號(hào)通路從而干預(yù)COVID-19 的作用,分子對(duì)接驗(yàn)證顯示CEP 能和COVID-19 的兩大主要受體緊密聯(lián)系,有利于病毒抑制劑的研發(fā),希望能為今后的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)提供參考。
寧夏醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2023年5期