







摘" 要: 采用網絡藥理學和分子對接等技術,挖掘馬齒莧抑制豬炎癥反應的主要活性成分及關鍵靶點,探究其可能的作用機制。在中藥系統藥理學數據庫與分析平臺和Uniprot(Universal protein)中篩選馬齒莧有效成分及靶點,通過GeneCards和疾病靶點數據庫,獲得炎癥相關的靶點;利用Venn網站將馬齒莧相關靶點與炎癥相關靶點進行映射來構建韋恩圖,得到馬齒莧抗豬炎癥的預測靶點。結合String數據庫和Cytoscape軟件對預測靶點進一步篩選,獲取關鍵靶點后對其進行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析,選取排名靠前的關鍵靶點和活性成分開展分子對接分析。結果表明:篩選得到β-谷甾醇、山柰酚和木犀草素等馬齒莧的10個潛在藥效成分;馬齒莧發揮抗炎作用的核心靶點包括TNF、ALB和TP53等共90個,可參與細胞遷移的正調控、炎癥反應、細菌源分子的反應等生物過程,涉及癌癥、瘧疾、MAPK等信號通路。該研究揭示了馬齒莧多成分、多靶點、多途徑抑制豬炎癥反應的作用機制,為其在實際畜牧養殖中治療由炎癥反應所導致的豬腹瀉性相關疾病的具體機制提供理論依據。
關鍵詞: 網絡藥理學;馬齒莧;豬;炎癥;分子對接
中圖分類號: R285
文獻標志碼: A
文章編號: 1673-3851 (2024)04-0548-10
DOI:10.3969/j.issn.1673-3851(n).2024.04.014
收稿日期: 2023-10-13" 網絡出版日期:2024-03-14網絡出版日期
基金項目: 2023年浙江大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目(團委〔2023〕5號)
作者簡介: 謝婕妤(1999—" ),女,江蘇無錫人,碩士研究生,主要從事制藥工程方面的研究。
通信作者: 王" 丹,Email:februarydan@zstu.edu.cn
引文格式:謝婕妤,吳昕怡,羅瑞昌,等. 基于網絡藥理學和分子對接技術探究馬齒莧抑制豬炎癥反應的作用機制[J]. 浙江理工大學學報(自然科學),2024,51(4):548-557.
Reference Format: XIE Jieyu, WU Xinyi, LUO Ruichang, et al. Exploring the mechanism of Portulaca oleracea inhibiting inflammatory response in pigs based on network pharmacology and molecular docking techniques[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University,2024,51(4):548-557.
Exploring the mechanism of Portulaca oleracea inhibiting inflammatory response in pigs based on network pharmacology and molecular docking techniques
XIE Jieyu, WU Xinyi, LUO Ruichang, L Zhengbing, WANG Dan
(a.College of Life Sciences and Medicine; b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Silkworm Bioreactor and Biomedicine, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)
Abstract: Using such technologies as network pharmacology and molecular docking, the study explored the main active components and key targets of portulaca oleracea in inhibiting pig inflammatory response, and investigated its mechanism of action. Traditional Chinese Medicine System Pharmacology Database and Analysis Platform and Uniprot (Universal Protein) were used to screen the active components of portulaca oleracea and their action targets. The GeneCards and Therapeutic Target Database were used to obtain inflammation-related targets. Using the website of Venn, the study constructed a Venn diagram by mapping portulaca oleracea-related targets and inflammation-related targets, obtaining the predicted targets of portulaca oleracea inhibiting inflammation in pigs. The predicted targets were further screened by the database of String and the software of Cytoscape. After the key targets were obtained, GO functional enrichment analysis and KEGG pathway enrichment analysis were carried out, and the top-ranked key targets and active ingredients were finally selected to conduct molecular docking studies. The results show that a total of 10 potential pharmacological components, such as β-sitosterol, kaempferol and lignans, are obtained. portulaca oleracea exerts anti-inflammatory effects through 90 core targets including TNF, ALB and TP53. These targets participate in many biological processes such as positive regulation of cell migration, inflammatory response, and the response of molecules of bacterial origin, and are involved in the signaling pathways, such as cancer, malaria, and MAPK. This study reveals the mechanism of action of portulaca oleracea as a multi-component, multi-target and multi-pathway inhibitor of porcine inflammatory response, and provides a theoretical basis for its specific mechanism of treating porcine diarrhea-related diseases caused by inflammatory response in actual animal husbandry.
Key words: network pharmacology; portulaca oleracea; pig; inflammation; molecular docking
0" 引" 言
炎癥(Inflammation)是機體在受到創傷、感染等刺激后所出現的一種以防御反應為主的基本病理過程,可表現為紅、腫、熱、痛和機能障礙[1]。過度的炎癥反應造成組織器官功能暫時下降,使機體內環境穩態失衡,進而引發疾病[2]。家畜的炎癥性疾病發病率較高,是造成養殖業經濟損失的主要因素之一。在生豬養殖過程中,豬的炎癥反應通常表現為腹瀉,而腹瀉也一直是嚴重影響和制約各種規模化養豬場經濟效益的重要因素。在規模豬場中,豬死亡總數的60%~70%約為仔豬的死亡,其中因腹瀉導致的死亡數高達20%[3]。感染沙門氏菌、魏氏梭菌及豬流行性腹瀉病毒等病原微生物的豬出現腸道炎癥反應,造成腹瀉,可引發豬的群體性流行性腹瀉[4-5];而以馬齒莧(Portulaca oleracea)等為代表的中草藥替代抗生素用于防治豬腹瀉等相關炎癥性疾病取得了良好的療效[6]。
馬齒莧是一種傳統的藥用植物,其味酸、性寒,具有清熱利濕、涼血和解毒等功效;現代藥理學研究表明,其具有抗菌、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤、神經保護及降糖等多種活性,臨床上常用于治療細菌性痢疾、急性胃腸炎和急性闌尾炎等[7]。此外,馬齒莧作為藥食兩用植物具有天然“抗生素”的美譽,因易得且成本低,在養豬業臨床上的使用也較為廣泛。鮮馬齒莧1000 g和龍芽草250 g,清水煎熬后,將煎液或連同藥渣拌入豬飼料,可防治豬白痢病[8]。在未經輸液和其他任何處理的情況下,僅服用馬齒莧煎煮液,就可治愈豬胃腸炎[9]。馬齒莧、六月雪根、地錦草和鐵莧菜各65 g,葉下珠45 g,煎汁灌服,可治療仔豬黃痢[10]。馬齒莧對豬的傳染性腸胃炎、仔豬的黃、白痢疾以及仔豬的早期斷奶等引起的腹瀉均具有較好的療效[11-12],但馬齒莧治療因腸道炎癥反應而引發的豬腹瀉確切機制尚未見報道。
網絡藥理學基于“疾病-基因-靶點-藥物”相互作用的關系,能夠系統綜合地觀察馬齒莧對于豬炎癥性腹瀉的干預與影響。本文利用藥理學數據庫,結合疾病靶點數據庫[13],分析馬齒莧中抑制豬炎癥反應的主要活性成分、作用的核心靶點以及顯著的通路,為揭示馬齒莧作用提供科學的依據,為開發抗豬炎癥性腹瀉藥物提供的理論基礎。
1" 方" 法
1.1" 馬齒莧活性成分的篩選
利用中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(Traditional chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP)對馬齒莧中的活性成分進行篩選,在搜索框輸入馬齒莧,根據TCMSP官網標準將搜索結果按照口服生物利用度(Oral bioavailability,OB)≥30%和類藥性(Drug-likeness,DL)≥0.18進行篩選,共搜索到10個有效成分,依照分子標識號、中文名、OB和DL值的順序記錄成表。
1.2" 馬齒莧活性成分中靶點蛋白名稱轉換及構建“馬齒莧活性成分-作用靶點”網絡關系
采用UniProt數據庫中的檢索系統——UniProt Knowledgebase (UniprotKB)檢索與馬齒莧藥效相關的靶點蛋白名稱,篩選出針對“豬”的靶標基因名稱,把獲得的基因名稱導入到 Excel表中,刪除重復項得到所有可能的蛋白名稱。通過Cytoscape 3.9.1軟件構建“馬齒莧藥效組分—潛在靶點”網絡圖。
1.3" 炎癥相關靶點的獲取及蛋白質互作網絡的構建
在Genecards和疾病靶點數據庫(Therapeutic target database,TTD)中,通過關鍵詞“inflammation”進行檢索,獲取炎癥相關靶點信息,并將其整合到Excel表格中;將上述篩選到的馬齒莧活性成分相關靶點與炎癥相關靶點導入Venn平臺進行映射進而構建韋恩圖,獲得馬齒莧抑制豬炎癥反應的預測靶點;進一步將結果導入STRING數據庫,在線構建馬齒莧抑制炎癥預測靶點的蛋白質互作(Protein-protein interaction,PPI)網絡圖,通過Cytoscape 3.9.1軟件進行可視化,繪制PPI網絡圖。
1.4" 關鍵靶點的GO功能注釋和KEGG通路富集分析
利用Metascape數據庫對關鍵作用靶點進行GO注釋分析,從細胞組成(Cellular component,CC)、分子功能(Molecular function,MF)和生物過程(Biological process,BP)進行篩選,獲得GO注釋結果;再選擇KEGG通路,設置p<0.01,獲得馬齒莧抑制豬炎癥反應的潛在通路。
1.5" “成分-靶點-通路”網絡圖的構建
將馬齒莧活性成分與關鍵靶點的對應關系和重要通路與關鍵靶點的對應關系導入Cytoscape 3.9.1軟件中,構建“成分-靶點-通路”網絡圖。
1.6" 分子對接驗證
從Uniprot數據庫(https:∥www.uniprot.org/)檢索馬齒莧抑制炎癥反應的關鍵靶點,篩選豬來源的蛋白,并下載其晶體結構,利用AutoDock軟件進行修飾,以達到降低靶點能量的目的;在TCMSP數據庫中下載馬齒莧活性成分的MOL2格式,利用AutoDock軟件對活性組分進行去配基、加氫、加電荷、確定配體的路徑以及進行可旋轉鍵的搜索與定義;使用AutoDockVina對馬齒莧活性成分與關鍵靶點展開半柔性對接,選取對接結合能打分排序前5位的最佳結合構象用于對接結合模式分析,并用PYMOL軟件進行分子對接作圖。
2" 結果與討論
2.1" 馬齒莧活性成分
利用TCMSP篩選得到馬齒莧中的有效化學成分(見表1)。由表1可知,根據TCMSP官網所要求的OB≥30%及DL≥18的篩選標準,共篩選得到花生四烯酸、環阿屯醇、β-胡蘿卜素、β-谷甾醇、山柰酚、香葉木素、木犀草素、異甜菜素、異甜菜甙和槲皮素共10種馬齒莧的有效活性成分。木犀草素不僅能改善DSS誘導的小鼠結腸炎[14],還可以抑制非洲豬瘟病毒的復制[15];槲皮素可有效緩解豬流行性腹瀉病毒感染導致的仔豬腸道損傷,提高仔豬腸道抗氧化能力以及空腸脂質代謝的能力[16];山柰酚可以降低兼性厭氧菌,改善腸道上皮細胞的屏障損傷,從而減輕腸道炎癥反應[17]。此外,馬齒莧中的β-胡蘿卜素、香葉木素等也具有一定程度的腸道抗炎活性[18-19]。
2.2" 馬齒莧活性成分-潛在作用靶點網絡構建
將上述篩選得到的馬齒莧10種活性成分進行潛在作用靶點預測,并對靶點基因名進行修正,結合Uniprot數據庫,最終共得到162個獨立的靶點。將馬齒莧10個活性成分及162個潛在作用靶點通過Cytoscape 3.9.1軟件可視化,構建了“馬齒莧活性成分-潛在作用靶點”網絡(見圖1)。由圖1可見:馬齒莧的10個活性成分與預測靶點之間存在著錯綜復雜的相互作用。
2.3" 馬齒莧活性成分抑制豬炎癥反應的靶點預測及蛋白互作圖
在Genecards和TTD數據庫中,輸入關鍵詞“inflammation”進行檢索,獲得與炎癥相關的靶點分別為1327個和155個。對上述篩選結果進行整合,刪除重復項,得到1437個藥物靶點。將162個馬齒莧活性成分靶點與1437個疾病靶點導入韋恩平臺,對其進行映射,構建韋恩圖(見圖2)。由圖2可見,馬齒莧抑制豬的炎癥反應的預測靶點有90個。將這90個預測靶點導入String數據庫構建PPI網絡,得到蛋白互作關系圖(圖3)。由圖3可見,靶點之間產生連線表明可以相互作用,連線越多的靶點表明在馬齒莧活性成分抑制豬炎癥反應中發揮越關鍵的作用。進一步將上述結果以TSV格式導出到Cytoscape 3.9.1軟件,進行可視化繪制蛋白互作網絡。
注:黃色代表馬齒莧,藍色代表馬齒莧的10種活性成分,紅色代表馬齒莧的10種活性成分所對應的“豬”源靶點。
注:藍色區域為馬齒莧活性成分的有效靶點,桔色區域為疾病數據庫所含的全部靶點,兩種顏色交集區域即馬齒莧抑制豬的炎癥反應的預測靶點。
為使結果更直觀,網絡中節點大小通過度值來體現,度值越大,節點越大,其所代表的關鍵作用靶點在網絡中就越重要,最內兩圈顏色較深、較大的節點,如TNF、ALB、TP53及IL-6等都是較為關鍵的靶點(見圖4)。將排名前10的靶點繪制成表格(見表2)。TNF和IL-6是由單核細胞和巨噬細胞產生的最重要的細胞因子,可以介導機體炎癥的全身效應,在體內,適量的IL-6和TNF-α對感染是有益的,過量產生就是有害的,如在豬流行性腹瀉病毒引發仔豬出現嚴重腹瀉時,IL-6和TNF-α明顯升高[20]。CRP/ALB則是一種新的炎癥標志物,是CRP與ALB的復合標志物,可以反映機體的炎癥及營養狀況[21];TP53 作為轉錄因子,可以調控細胞周期、炎癥反應和細胞凋亡等 [22-24]。
2.4" 關鍵作用靶點的生物功能預測、作用通路分析及“成分-靶點-通路”網絡的構建
通過Metascape數據庫對馬齒莧活性成分抑制豬炎癥反應的關鍵靶點進行GO注釋分析,根據“p<0.01”的篩選依據,GO富集結果得出1719條條目,其中BP有1512條,CC有70條,MF有137條,各取前10條進行可視化處理得到GO生物學模塊(見圖5)。圖5顯示:BP模塊中富集度較高的條目主要集中在細胞遷移的正調控(Positive regulation of cell migration)、細菌源分子的反應(Response to molecule of bacterial origin)、氧氣水平的反應(Response to oxygen levels)、炎癥反應(Inflammatory response)、細胞增殖的負調控(Negative regulation of cell population proliferation)等;CC模塊中富集度較高的條目主要集中在膜筏(Membrane raft)、分泌顆粒腔(Secretory granule lumen)、受體復合物(Receptor complex)、轉錄調控復合體(Transcription regulator complex)和內質網腔(Endoplasmic reticulum lumen)等方面;而在MF模塊中富集度較高的條目主要集中在細胞因子受體結合(Cytokine receptor binding)、DNA結合轉錄因子結合(DNA-binding transcription factor binding)、泛素樣蛋白連接酶結合(Ubiquitin-like protein ligase binding)、蛋白同型二聚化活性(Protein homodimerization activity)、蛋白酶綁定(Protease binding)等。
注:圖中圓圈代表馬齒莧主要成分抑制豬炎癥的靶點,位于圓圈之間的連線則代表兩靶點間的互作關系。
通過Metascape數據庫,對關鍵靶點進一步完成KEGG通路富集分析。設定“p<0.01”的篩選條件,共得到173條通路,取前20條將其進行可視化處理,繪制“成分-靶點-通路”圖(見圖6)。圖6顯示:馬齒莧抑制炎癥的關鍵靶點主要富集在癌癥的通路(Pathways in cancer)、脂質和動脈粥樣硬化(Lipid and atherosclerosis)、糖尿病并發癥中的AGE-RAGE信號通路(AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications)、前列腺癌(Prostate cancer)、瘧疾(Malaria)、NF-κB信號通路(NF-kappa B signaling pathway)和MAPK信號通路(MAPK signaling pathway)等相關途徑。在上述通路中,NF-κB 是腸道炎癥重要的調節因子。傳染性胃腸炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus, TGEV)感染可引起所有年齡豬的急性腸炎,尤其是哺乳仔豬,NF-κB在TGEV感染的豬腸上皮細胞中被激活,這與促炎細胞因子TNF和IL6的上調一致[25]。作為馬齒莧主要成分之一的β-谷甾醇可以通過抑制NF-κB及炎癥小體的激活而發揮抗炎作用[26],因此,馬齒莧有可能通過以NF-κB為首的信號通路作用于相關聯的靶點從而發揮抗豬炎癥反應的作用。進一步利用Cytoscape 3.9.1軟件搭建了“馬齒莧成分-靶點-通路”網絡圖(見圖7)。圖7共展示了193個節點和635條相互關系,馬齒莧10個活性成分中的任一個均可作用于某一通路中的某一靶點,揭示了馬齒莧抑制豬炎癥反應的可能機制。
注:圓圈均代表馬齒莧主要成分抑制豬炎癥反應的靶點;連線代表兩圓圈的互作關系。圓圈顏色越深、越大,且連線越多,代表其在馬齒莧主要成分抑制豬炎癥反應中發揮的作用越大。
2.5" 分子對接結果
根據度值,將馬齒莧的活性成分以及馬齒莧抑制豬炎癥反應的關鍵靶點進行排序,繪制馬齒莧有效活性成分度值表(見表3)。從表3中取度值排序前5位的馬齒莧活性成分(槲皮素、花生四烯酸、山柰酚、木犀草素和β-谷甾醇),并從表2中取前5位的關鍵靶點(TNF、ALB、TP53、JUN和IL6),依次對它們進行分子對接,結果見圖8所示。從圖8可見:前25組蛋白受體-活性成分對接結果中有9組結合能均低于-5.0,表明對接結果良好,馬齒莧的活性成分如槲皮素、山柰酚和木犀草素均能與TNF和ALB等靶點進行半柔性對接,其中ALB靶點與β-谷甾醇的結合能最低,為-8.62 kcal/mol,結合最穩定。選取結合能最低的前5個組合,即β-谷甾醇與ALB、木犀草素與ALB、β-谷甾醇與IL6、β-谷甾醇與TNF、山柰酚與ALB,利用pymol軟件進行對接可視化,使分子對接結果更直觀(見圖9)。
3" 結" 論
本文采用網絡藥理學和分子對接方法對馬齒莧
注:MCX代表馬齒莧,黃色部分為馬齒莧的10個主要活性成分,藍色部分為馬齒莧活性成分抑制豬炎癥反應的162個關鍵靶點,紅色部分為關鍵靶點的重要的20條富集通路,連線代表兩者間的互作關系。
注:中間性指的是一個節點擔任連接其他兩個節點之間最短路的“橋梁”的次數,一個節點充當“橋梁”的次數越高,它的中間性就越高;親密性則指的是一個節點距離其他節點越近,它的親密性越高。這兩個指標也進一步證實了排名靠前的靶點的重要性。
抑制豬炎癥反應的活性成分與潛在靶點等的生物學機制進行了探索性分析,為馬齒莧在獸醫臨床上的應用提供理論數據支持。本研究主要結論如下:
a)馬齒莧主要活性成分中的槲皮素和木犀草素等可能是馬齒莧抑制豬炎癥反應的藥效學基礎,為相關藥物開發提供了更精確的指向。
b)TNF、IL6、ALB和TP53為馬齒莧抑制豬炎癥反應的關鍵靶點;分子對接的結果也證實馬齒莧中的有效活性成分與上述關鍵靶點結合活性強,TNF、IL6、ALB和TP53靶點可能在馬齒莧抑制豬炎癥反應中起重要作用。
c)馬齒莧中的槲皮素和木犀草素等有效活性成分通過調控NF-κB等信號通路,作用于TNF、IL6等主要炎癥靶點,從而發揮抑制豬炎癥反應的作用;為后續進一步開展細胞及動物實驗,以期明確馬齒莧抗豬炎癥反應的關鍵作用靶點及信號通路奠定理論基礎。
注:圖中灰色螺旋狀部分代表靶點蛋白,綠色棍狀結構代表馬齒莧有效活性成分的分子結構,粉色棍狀結構則代表馬齒莧有效活性成分與靶點蛋白連接的具體氨基酸殘基,紅色虛線則表示氫鍵的長度。
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(責任編輯:張會巍)