基于网络药理学的黄连治疗糖尿病的作用机制研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：目的  利用网络药理学手段研究黄连治疗糖尿病的作用机制。方法  从TCMSP数据库获取黄连的有效成分以及作用靶点，与GeneCards数据库中糖尿病的作用靶点取交集获取黄连治疗糖尿病的预测靶点，利用Cytoscape软件构建中药化合物-靶点网络及STRING数据库构建PPI网络，利用 DAVID在线工具进行GO功能分析及KEGG通路富集分析。结果  黄连的活性成分有14个，关键有效成分有11个，治疗糖尿病靶点137个。黄连主要活性成分作用的核心靶点为JUN、MAPK1、IL-6等靶基因，参与调控Insulin resistance，Regulation of lipolysis in adipocytes等多个信号通路。结论  黄连能发挥多靶点、多通路的协同治疗糖尿病作用。
　　关键词：黄连;糖尿病;网络药理学
　　中图分类号：R285                                    文献标识码：A                                DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.01.021
　　文章编号：1006-1959（2020）01-0064-04
　　Study on the Mechanism of Coptis Chinensis in Treating Diabetes Based on Network Pharmacology
　　QIU Yang，ZHANG Jing
　　（Department of Pharmacy，Run Run Shaw Hospital，Zhejiang University School of Medicine，Hangzhou 310016，Zhejiang，China）
　　Abstract：Objective  To study the action mechanism of Coptis chinensis in treating diabetes by network pharmacology. Methods  Obtain the active ingredients and action targets of Coptis chinensis from the TCMSP database， intersect with the action targets of diabetes in the GeneCards database to obtain the predicted targets of Coptis chinensis for treatment of diabetes， use Cytoscape software to construct a Chinese medicine compound-target network and the STRING database to construct a PPI network Use DAVID online tool for GO function analysis and KEGG pathway enrichment analysis. Results  There were 14 active ingredients in Coptis chinensis， 11 key active ingredients， and 137 targets for treating diabetes. The core targets of the active components of Coptis chinensis are target genes such as JUN， MAPK1， and IL-6， which participate in the regulation of multiple signaling pathways such as Insulin resistance， Regulation of lipolysis in adipocytes.Conclusion  Coptis chinensis can play a multi-target and multi-path synergistic effect in the treatment of diabetes.
　　Key words：Coptis chinensis;Diabetes;Network pharmacology
　　糖尿病（diabetes）是因胰島素产生绝对不足或相对不足而导致的一种代谢性疾病[1]。随着人口老龄化的进程，我国糖尿病患病率逐渐升高。截止2013年，我国18岁以上人群的糖尿病患病率已达10.4%[2]。糖尿病属于中医“消渴症”范畴，《本草纲目》及《太平圣惠方》等经典古籍均记载了黄连有“止消渴”的功效[3]。近年来临床研究发现，黄连不仅能促进胰岛素分泌，降低血糖，还能改善2型糖尿病大鼠的肾脏损害[4，5]，但目前对于黄连治疗糖尿病的具体分子机制尚不明确。网络药理学是基于系统生物学的理论，对生物系统的网络分析，选取特定信号节点进行多靶点药物分子设计的新学科[6]。相对于传统试验药理学方法，网络药理学具有全面、系统的特点，尤其适用于多种化学成分、多重靶点的传统中药作用机理的阐释。本文拟通过网络药理学方法筛选黄连有效成分，明确其作用靶点，并进一步探索其治疗糖尿病的作用机制。 　　1材料与方法
　　1.1软件与数据库  TCMSP数据库（http：//lsp.nwsuaf.edu.cn/tcmsp.php）[7]、GeneCards数据库（https：//www.genecards.org/）、STRING 数据库（https：//string-db.org/）、DAVID 数据库（https：//david.ncifcrf.gov/）、Cytoscape 3.5.1 软件、R3.6.0软件。
　　1.2黄连活性成分及其对应靶点的筛选  从TCMSP数据库获取黄连有效成分以及作用靶点，依据口服生物利用度（Oral bioavailability，OB）和类药性（Drug-likeness，DL）值（OB≥30%和 DL≥0.18）过滤筛选出符合条件的活性化合物及其对应靶点。
　　1.3黄连治疗糖尿病的预测靶点选择  在 GeneCards数据库中搜索糖尿病的相关靶点，将通过TCMSP数据库获取的黄连的作用靶点与从GeneCards 数据库获取的糖尿病靶点基因进行映射，获取黄连治疗糖尿病的预测靶点。
　　1.4黄连调控糖尿病作用机制网络构建  Cytoscape3.5.1 是一种可视化软件，能更直观的分析药物治疗疾病的作用机制，其中节点（node）代表中药所含药物化学成分与潜在作用靶点，边（edge）展现了中药成分和其作用靶点之间的联系。首先构建化合物-靶点网络，再根据靶点连接情况筛选出黄连作用于糖尿病的关键化合物。
　　1.5 PPI网络的构建及核心靶点筛选  STRING 数据库可以用来分析蛋白质之间的相互作用[8]，将黄连治疗糖尿病的预测靶点导入STRING数据库，限定研究物种为“Homo sapiens”，最低相互作用评分设置为最高置信度（“highest confidence<0.900>”），隐藏离散靶点，其余参数保持默认设置，得到黄连作用于糖尿病的PPI网络。最后利用R脚本对STRING 数据库中获取的互作联系进行计数排序，输出连线数最多的30个靶点基因即核心靶点，绘制成图。
　　1.6 GO功能分析和KEGG通路富集分析  DAVID数据库为大规模基因或蛋白提供系统综合的生物功能注释信息，且能提供最显著富集的生物学注释[9]。将药物-疾病交集基因导入DAVID6.8数据库，输入靶基因名称列表，限定物种为“Homo Sapiens”，将靶基因名修正为官方名称“official gene symbol”，设定阈值P<0.05，进行 GO生物过程富集分析和 KEGG 通路富集分析。
　　2结果
　　2.1活性成分筛选  通过OB、DL值筛选共获得黄连的14个活性成分，见表1。
　　2.2黄连调控糖尿病作用机制网络构建  共获得137个共同靶点基因，利用Cytoscape 3.7.1软件构建化合物-靶点相互作用网络，发现该网络共有149个节点（node），其中有效活性分子11个，共同靶点基因137个，疾病1个，348条边（edge），见图1。
　　2.3 PPI网络的构建及核心靶点筛选  将137个共同靶点输入STRING 数据库进行 PPI网络分析，得到黄连治疗糖尿病靶蛋白的PPI网络，图中发生蛋白互作的节点有137个，边有317条，平均节点自由度为4.63，平均聚集系数为0.465。利用R脚本对STRING 数据库中蛋白互作网络进行节点连线计数并排序，获得黄连治疗糖尿病的核心靶点，见图2。
　　2.4 GO富集分析  在获得上述共同靶点的基础上，将靶点映射入DAVID数据库进行GO富集分析，结果显示，共同靶点的生物學过程主要集中在正向调控RNA聚合酶Ⅱ启动子、细胞分裂、炎症反应、凋亡过程、血压控制、细胞外隙、细胞核、细胞质、细胞膜组成部分等方面;转录分子功能主要富集在转录因子活性、序列特异性DNA结合、血红素结合、G蛋白耦联乙酰胆碱受体活性、类固醇受体结合等方面， 见图3。
　　2.5 KEGG分析  将靶点映射入DAVID数据库进行KEGG通路注释分析，结果显示与糖脂代谢直接相关的通路有Insulin resistance，Regulation of lipolysis in adipocytes，Adipocytokine signaling pathway，Type Ⅰ diabetes mellitus，TypeⅡ diabetes mellitus，Insulin signaling pathway。与心脏血管相关的通路有AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications，Fluid shear stress and atherosclerosis，HIF-1 signaling pathway，VEGF signaling pathway。与炎症反应相关的通路有TNF signaling pathway，IL-17 signaling pathway，Toll-like receptor signaling pathway，Focal adhesion，Cytokine-cytokine receptor interaction，NF-kappa B signaling pathway，Chemokine signaling pathway。与增殖、凋亡相关的通路有Apoptosis，MAPK，p53 signaling pathway。输出富集基因最多的20条通路见图4。
　　3讨论
　　中药在治疗糖尿病中积累了几千年的理论和丰富的实践经验，在治疗糖尿病及其慢性并发症中发挥着重要的作用。本文通过网络药理学手段，对黄连控制糖脂代谢、保护心脏血管、抑制炎症反应、抑制凋亡通路、促进增殖的多成分、多靶点、多通路的相互作用及调控网路进行了系统的挖掘和分析。 　　本研究发现黄连中作用于糖尿病的活性成分有14个，其中靶点数最多的活性成分为黄酮类的槲皮素，作用于56个糖尿病靶点。槲皮素能有效降低糖尿病肥胖大鼠血糖和胆固醇、调节血脂紊乱，促进糖尿病足伤口愈合，抑制促炎因子IL-6、TNF-α表达，促进抗炎因子IL-10表达，减少糖尿病难愈性伤口部位炎性反应过度的现象从而促进伤口愈合[10，11];还能作用于糖尿病大鼠晶状体上皮细胞，抑制其凋亡，延缓糖尿病性白内障的发生发展[12]。其他活性成分如生物碱类的黄连素被报道可以通过过抑制ERK1/2、p38 MAPK信号通路起到抑制血管钙化[13]，保护心血管，改善脂质代谢，保护糖尿病性脂肪肝[14];且在体外高糖环境下，促进视网膜细胞增殖，保护糖尿病性视网膜损伤[15]。因此，黄连活性成分的作用靶点如IL-6、MAPK等均是糖尿病治疗药物的重要靶点，与本文预测的黄连作用的关键靶点结果相吻合。
　　另外，大量研究表明[16，17]，糖尿病患者体内晚期糖基化终产物（AGEs）较正常人明显升高，其与受体（RAGE）结合后促使ROS生成，诱导氧化应激，激活NF-kb，是糖尿病肾病的形成和进展中非常重要的一环，也是糖尿病创面难愈合的重要机制。在本研究中AGES-RAGE通路是黄连治疗糖尿病中富集到最显著的信号通路，该通路可能是黄连治疗糖尿病的重要机制之一。
　　综上所述，本研究通过网络药理学方法对黄连治疗糖尿病的活性成分、作用靶点和作用机制进行了探索，发现黄连主要通过JUN、MAPK、IL-6等基因发挥作用。另外，黄连的多种活性成分相輔相成，通过控制糖脂代谢、保护心脏血管、抑制炎症反应、抑制凋亡通路、促进增殖的多条通路发挥保护作用。不仅直接调控血糖，减少胰岛素抵抗，还能降低血脂、保护心脏血管，改善糖尿病眼部以及足部损伤等并发症，在糖尿病发生发展的多个环节中发挥保护作用。
　　参考文献：
　　[1]Tao Z，Shi A，Zhao J.Epidemiological Perspectives of Diabetes[J].Cell Biochem Biophys，2015，73（1）：181-185.
　　[2]中华医学会糖尿病学分会.中国2型糖尿病防治指南（2017年版）[J].中华糖尿病杂志，2018，10（1）：4-67.
　　[3]张桂仙，袁娅金，熊薇，等.中医药防治糖尿病认知功能障碍研究进展[J/OL].中国实验方剂学杂志：1-9[2019-12-24].https：//doi.org/10.13422/j.cnki.syfjx.20192339.
　　[4]邓晓威，谢宁.黄连素治疗2型糖尿病研究进展[J].中国中药杂志，2014，39（8）：1374-1378.
　　[5]司凤霞，杨殿生，王柏欣.黄连素对2型糖尿病大鼠肾脏的保护作用[J].黑龙江医药科学，2005（4）：10-12.
　　[6]Hopkins AL.Network pharmacology：the next paradigm in drug discovery[J].Nat Chem Biol，2008，4（11）：682-690.
　　[7]汝锦龙.中药系统药理学数据库和分析平台的构建和应用[D].西北农林科技大学，2015.
　　[8]Von Mering C，Jensen LJ，Snel B，et al.STRING： known and predicted protein-protein associations， integrated and transferred across organisms[J].Nucleic Acids Res，2005，33（Database issue）：D433-D437.
　　[9]Dennis GJ，Sherman BT，Hosack DA，et al.DAVID：Database for Annotation， Visualization， and Integrated Discovery[J].Genome Biol，2003，4（5）：P3.
　　[10]郭艳芳，张皓，朱玲，等.槲皮素改善糖尿病肥胖大鼠糖脂代谢紊乱及总胆固醇的作用[J].解剖学研究，2018，40（6）：505-509.
　　[11]付佳，黄潇红，黄静娟，等.槲皮素对糖尿病伤口的促愈合作用及相关机制研究[J].广东药科大学学报，2019，35（3）：395-401.
　　[12]刘鹃，康刚劲，康海军，等.槲皮素对糖尿病大鼠晶状体上皮细胞凋亡的影响[J].泸州医学院学报，2016，39（6）：560-565.
　　[13]曾存良，张鑫鹏，胥雄飞，等.黄连素对糖尿病大鼠血管钙化的影响及其机制研究[J].现代中西医结合杂志，2019，28（8）：799-805，849.
　　[14]张韫，赵宗江，李忻，等.黄连素对2型糖尿病大鼠脂肪肝的治疗作用及机制研究[J].中日友好医院学报，2018，32（1）：23-27，封4.
　　[15]金轶平，朱皓皓.黄连素对高糖培养下大鼠视网膜Müller细胞增殖的影响[J].国际眼科杂志，2019，19（5）：745-748.
　　[16]杨超茅，杨志新，马晓玲.AGEs-RAGE信号通路在糖尿病肾病中的作用机制及中医药研究进展[J].中医学报，2019，34（9）：1864-1868.
　　[17]王雨，李杰辉.AGEs-RAGE信号通路与糖尿病难愈合创面[J].中国烧伤创伤杂志，2015，27（6）：406-409.
　　收稿日期：2019-10-20;修回日期：2019-10-29
　　编辑/成森
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15105407.htm