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基于网络药理学和分子对接的“当归-川芎”药对作用机制研究

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袁可欣, 谭艺, 张成玲, 等. 基于网络药理学和分子对接的“当归-川芎”药对作用机制研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2021, 43(10): 77-83. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.10.010
引用本文: 袁可欣, 谭艺, 张成玲, 等. 基于网络药理学和分子对接的“当归-川芎”药对作用机制研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2021, 43(10): 77-83. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.10.010
YUAN Kexin, TAN Yi, ZHANG Chenglin, et al. Research of the Pharmacological Mechanism of the Drug Pair Angelicae sinensis Radix-Chuanxiong Rhizoma Based on Network Pharmacology and Molecular Docking[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2021, 43(10): 77-83. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.10.010
Citation: YUAN Kexin, TAN Yi, ZHANG Chenglin, et al. Research of the Pharmacological Mechanism of the Drug Pair Angelicae sinensis Radix-Chuanxiong Rhizoma Based on Network Pharmacology and Molecular Docking[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2021, 43(10): 77-83. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.10.010

基于网络药理学和分子对接的“当归-川芎”药对作用机制研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(81773984,81402441);重庆市自然科学基金面上项目(cstc2020jcyj-msxmX0451);重庆市卫生局中医药科研项目(2020ZY023665);西南大学国家级药学实验教学示范中心资助的创新实验项目(XY2017-CXZD-04)
详细信息
    作者简介:

    袁可欣,硕士研究生,主要从事中药药理的研究 .

    通讯作者: 陈怡,副教授
  • 中图分类号: Q949.763.3; R966

Research of the Pharmacological Mechanism of the Drug Pair Angelicae sinensis Radix-Chuanxiong Rhizoma Based on Network Pharmacology and Molecular Docking

  • 摘要: 研究“当归-川芎”药对的网络药理学机制,并用分子对接进行验证. 通过检索数据库和文献,筛选出当归和川芎的活性成分及靶点,构建“成分-靶点”网络,得到关键靶点,分析其与FDA批准药物靶点的共同靶点,建立“共同靶点-疾病”网络. 将关键靶点进行基因功能和KEGG通路分析,药对活性成分与关键靶点进行分子对接,共筛选出“当归-川芎”药对活性成分14个,对应257个靶点,分析“成分-靶点”网络得到54个关键靶点,与FDA批准药物靶点的共同靶点有34个,涉及113种疾病. 关键靶点主要参与155个生物学过程、29个细胞组分和66个分子功能,还参与了Pathways in cancer,Estrogen signaling pathway,Proteoglycans in cancer等58条信号通路. 分子对接结果表明:6个活性成分与7个靶点对接成功. 揭示了“当归-川芎”药对的主要活性成分、靶点、潜在治疗的疾病及作用机制,为其临床应用提供了参考.
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  • 图 1  “当归川芎”药对“成分靶点”网络

    图 2  关键靶点-疾病网络

    图 3  排名前5的基因功能分析

    表 1  “川芎当归”药对的活性成分

    NO. 活性成分 分子式 来源
    1 阿魏酸 C10H10O4 当归/川芎
    2 咖啡酸 C9H8O4 当归/川芎
    3 β-谷甾醇 C29H50O 当归
    4 豆甾醇 C29H48O 当归
    5 谷甾醇 C29H50O 川芎
    6 4-羟基-3-丁基苯酞 C12H14O3 川芎
    7 杨梅酮 C21H24O5 川芎
    8 洋川芎醌 C22H30O2 川芎
    9 洋川芎内酯I C12H16O4 当归/川芎
    10 洋川芎内酯A C12H16O2 川芎
    11 川芎哚 C16H12N2O2 川芎
    12 川芎萘呋内酯 C25H32O5 川芎
    13 亚油酸乙酯 C20H36O2 川芎
    14 藁本内酯 C12H14O2 当归/川芎
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    表 2  排名前20的KEGG通路信息

    No 通路名称 靶点数 所占比例/%
    1 Pathways in cancer 18 33.3
    2 Estrogen signaling pathway 11 20.4
    3 Proteoglycans in cancer 11 20.4
    4 PI3K-Akt signaling pathway 11 20.4
    5 Calcium signaling pathway 10 18.5
    6 cAMP signaling pathway 10 18.5
    7 HIF-1 signaling pathway 8 14.8
    8 Serotonergic synapse 8 14.8
    9 Thyroid hormone signaling pathway 8 14.8
    10 Oxytocin signaling pathway 8 14.8
    11 Amphetamine addiction 7 13.0
    12 Dopaminergic synapse 7 13.0
    13 VEGF signaling pathway 6 11.1
    14 Bile secretion 6 11.1
    15 Cocaine addiction 6 11.1
    16 Progesterone-mediated oocyte maturation 6 11.1
    17 Prostate cancer 6 11.1
    18 GnRH signaling pathway 6 11.1
    19 Endocrine and other factor-regulated calcium reabsorption 5 9.3
    20 Regulation of lipolysis in adipocytes 5 9.3
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    表 3  “当归川芎”药对活性成分与关键靶点分子对接

    成分 靶点 PDB ID 对接分数 成分 靶点 PDB ID 对接分数
    豆甾醇 NCOA2 1T65 8.355 β-谷甾醇 NCOA2 1T65 8.354
    ESR2 1QKM 8.328 ESR2 1QKM 8.309
    EP300 3BIY 8.255 EP300 3BIY 8.371
    ESR1 3CBP 7.525 ESR1 3CBP 7.547
    HIF1A 1LM8 7.341 HIF1A 1LM8 7.282
    ADRB2 2RH1 5.518 ADRB2 2RH1 5.557
    MMP9 1ITV 4.953 MMP9 1ITV 4.980
    洋川芎内酯A NCOA2 1T65 5.749 藁本内酯 NCOA2 1T65 5.689
    ESR2 1QKM 5.838 ESR2 1QKM 5.818
    EP300 3BIY 5.495 EP300 3BIY 5.450
    ESR1 3CBP 5.001 ESR1 3CBP 4.986
    HIF1A 1LM8 4.477 HIF1A 1LM8 4.130
    ADRB2 2RH1 4.163 ADRB2 2RH1 4.066
    MMP9 1ITV 4.218 MMP9 1ITV 3.917
    阿魏酸 NCOA2 1T65 4.075 4-羟基-3-丁基苯酞 NCOA2 1T65 4.388
    ESR2 1QKM 4.284 ESR2 1QKM 4.392
    EP300 3BIY 4.032 EP300 3BIY 3.831
    ESR1 3CBP 3.410 ESR1 3CBP 3.570
    HIF1A 1LM8 3.157 HIF1A 1LM8 3.035
    ADRB2 2RH1 3.270 ADRB2 2RH1 3.073
    MMP9 1ITV 2.894 MMP9 1ITV 2.900
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图( 3) 表( 3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-11
  • 刊出日期:  2021-10-20

基于网络药理学和分子对接的“当归-川芎”药对作用机制研究

    通讯作者: 陈怡,副教授
    作者简介: 袁可欣,硕士研究生,主要从事中药药理的研究
  • 西南大学 药学院中医药学院/重庆市高校中药新药筛选重点实验室/药学国家级实验教学示范中心,重庆 400715
基金项目:  国家自然科学基金项目(81773984,81402441);重庆市自然科学基金面上项目(cstc2020jcyj-msxmX0451);重庆市卫生局中医药科研项目(2020ZY023665);西南大学国家级药学实验教学示范中心资助的创新实验项目(XY2017-CXZD-04)

摘要: 研究“当归-川芎”药对的网络药理学机制,并用分子对接进行验证. 通过检索数据库和文献,筛选出当归和川芎的活性成分及靶点,构建“成分-靶点”网络,得到关键靶点,分析其与FDA批准药物靶点的共同靶点,建立“共同靶点-疾病”网络. 将关键靶点进行基因功能和KEGG通路分析,药对活性成分与关键靶点进行分子对接,共筛选出“当归-川芎”药对活性成分14个,对应257个靶点,分析“成分-靶点”网络得到54个关键靶点,与FDA批准药物靶点的共同靶点有34个,涉及113种疾病. 关键靶点主要参与155个生物学过程、29个细胞组分和66个分子功能,还参与了Pathways in cancer,Estrogen signaling pathway,Proteoglycans in cancer等58条信号通路. 分子对接结果表明:6个活性成分与7个靶点对接成功. 揭示了“当归-川芎”药对的主要活性成分、靶点、潜在治疗的疾病及作用机制,为其临床应用提供了参考.

English Abstract

  • 开放科学(资源服务)标志码(OSID):

  • 当归性温味甘,归肝、心、脾经,具有补血调经、活血止痛的功效;川芎性温味辛,归肝、胆、心包经,具有活血行气、祛风止痛的功效. “当归-川芎”常形成药对增强其行气活血、补血养血的作用,如四物汤、佛手散、血府逐瘀汤、补阳还五汤、温经汤和生化汤等经典名方[1-3],但“当归-川芎”药对的物质基础及作用机制尚未阐明. 网络药理学是融合了系统生物学、生物信息学的新兴交叉学科,近年来,被广泛应用于中药的研究中,它通过构建“药物-靶点-通路”多层次网络,系统综合地观察中药对整个疾病网络的调控作用,有利于阐明中药多成分、多靶点、多途径协同作用的机制[4-5].

    本研究通过TCMSP,SEA数据库和文献检索,收集“当归-川芎”药对活性成分及其靶点,构建“成分-靶点”网络,分析得到关键靶点,寻找其与美国食品药品监督管理局(FDA)批准药物靶点的共同靶点,利用TTD和TCMSP数据库分析与共同靶点相关的疾病,建立“共同靶点-疾病”网络. 对关键靶点进行基因功能和KEGG通路分析,将活性成分和关键靶点进行分子对接验证.

  • 通过检索TCMSP(http://lsp.nwu.edu.cn/index.php),SEA(http://sea.bkslab.org/)数据库和文献,收集“当归-川芎”药对中当归、川芎所含成分,然后利用药代动力学参数,即口服生物利用度OB≥30%,类药性DL≥0.18及小肠上皮细胞渗透率Caco-2≥-0.40,筛选出当归、川芎的活性成分.

  • 通过检索TCMSP,SEA数据库,获得当归、川芎活性成分的靶点,利用蛋白质数据库UniProt(http://www.uniprot.org/)的搜索功能,将靶点转换为UniProt ID导入STRING数据库,进行成分-靶点间关联性分析,运用Cytoscape 3.5.0软件构建出“当归-川芎”药对“成分-靶点”网络. 使用中间介数、接近中间度、度值3个指标,对网络进行分析,选择3个指标均大于平均值的靶点作为网络中的关键靶点.

  • 利用Drug Bank (https://www.drugbank.ca/)和TTD(https://db.idrblab.org/ttd/)数据库,收集FDA批准药物靶点,筛选得到关键靶点和药物靶点的共同靶点. 利用TCMSP和TTD数据库获得共同靶点相关疾病,按照医学主题词表MeSH(http://www.nlm.nih.gov/mesh/)将疾病分类,运用Cytoscape 3.5.0软件构建出“共同靶点-疾病”网络.

  • 将关键靶点导入DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/),进行基因功能和KEGG通路富集分析. 从Pubchem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)中获取“当归-川芎”药对活性成分的分子结构,将其与关键靶点导入Systems Dock Web Site(http://systemsdock.unit.ois.jp/iddp/home/index)数据库进行分子对接. 对接分数为实验解离/抑制常数值(pKd/pKi)的负对数,大于4.25,表明分子与靶点具有一定的结合活性;大于5.0,表明分子与靶点结合活性较好;大于7.0,表明分子与靶点具有强烈的稳定性及活性.

  • 通过检索TCMSP,SEA数据库,获得当归成分125个,川芎成分189个,阈值设定为OB≥30%,DL≥0.18以及Caco-2≥-0.40,共筛选出候选活性成分8个,其中当归2个,川芎6个. 通过查阅文献获得10个活性成分,其中当归4个,川芎6个. 去除重复成分,最终得到14个活性成分,其中川芎和当归共有活性成分4个,分别是咖啡酸、阿魏酸、洋川芎内酯I、藁本内酯(表 1).

  • 利用TCMSP,SEA数据库,发现川芎12个活性成分对应127个靶点,当归6个活性成分对应337个靶点,删除重复的靶点,“当归-川芎”药对14个活性成分对应257个靶点. “当归-川芎”药对的“成分-靶点”网络包含257个节点和2 388条边(图 1). 分析网络节点的中间介数、接近中间度及度值的平均值,分别为0.003 5,0.441 1,16.925 3,筛选3个指标均大于等于平均值的靶点,得到54个关键靶点,其中11个是当归和川芎共有靶点,分别是PTGS1,VDR,PTGS2,CDC25A,CYP19A1,NR1H4,PRKACA,AR,ESR2,ADRB2,NCOA2,这些靶点可能是川芎和当归协同作用的物质基础.

  • 通过TTD和Drug Bank数据库,获得1 215个FDA批准药物靶点,54个关键靶点和FDA批准药物靶点有34个共同靶点. 通过TTD和TCMSP数据库分析,构建的“共同靶点-疾病”网络由168个点和264条边组成,共同靶点与21组共113种疾病相关,包括肿瘤(14.2%)、神经系统疾病(12.4%)、心血管疾病(8.8%)、心理疾病(8.8%)、病理状况(7.1%)和女性生殖系统疾病(5.9%)等(图 2),这可能是“当归-川芎”药对潜在的治疗靶点和对应的疾病.

  • 34个共同靶点提示的是“当归-川芎”药对潜在作用的疾病,而54个关键靶点能更全面地反映“当归-川芎”药对的成分靶点,因此将54个关键靶点导入DAVID数据库,从生物学过程、分子功能和细胞组分3个不同的方面对基因功能进行分析. 结果显示,54个关键靶点共涉及155个生物过程、29个细胞组分和66个分子功能,其中生物过程中排名前5的有Positive regulation of transcription from RNA polymerase Ⅱ promoter(19个靶点/35.2%),Transcription DNA-templated(14个靶点/25.9%),Signal transduction(13个靶点/24.1%),Negative regulation of transcription from RNA polymerase Ⅱ promoter(12个靶点/22.2%),Response to drug(11个靶点/20.4%). 细胞组分中排名前5的有Nucleus(34个靶点/63%),Plasma membrane(27个靶点/50.0%),Nucleoplasm(24个靶点/44.4%),Cytosol(23个靶点/42.6%),Cytoplasm(23个靶点/42.6%). 分子功能中排名前5的有Protein binding(46个靶点/85.2%),Enzyme binding(19个靶点/35.2%),Transcription factor activity,Sequence-specific DNA binding(13个靶点/24.1%),DNA binding(13个靶点/24.1%),Protein homodimerization activity(12个靶点/22.2%)(图 3). 这表明“当归-川芎”药对可能参与了人体内的多种生物过程.

    KEGG通路富集分析结果显示,54个关键靶点共参与58条信号通路过程,其中包括Pathways in cancer,Estrogen signaling pathway,Proteoglycans in cancer,Calcium signaling pathway,HIF-1 signaling pathway等,涉及癌症、黏附、细胞周期、炎症、细胞凋亡、血管生成及激素调节等,表 2展示了涉及靶点数目排名前20的通路信息.

  • 将“当归-川芎”药对活性成分豆甾醇、β-谷甾醇、洋川芎内酯A、藁本内酯、阿魏酸和4-羟基-3-丁基苯酞与度值排名前10的关键靶点进行分子对接. 结果表明,6个活性成分与7个靶点对接成功,其中豆甾醇、β-谷甾醇、洋川芎内酯A、藁本内酯与NCOA2,ESR2,EP300,ESR1等靶点有较好的结合活性以及稳定性(表 3).

  • 当归、川芎都是血分之主药,当归味甘,具有养血活血之功效,川芎味辛,是血中气药,具有活血祛瘀、行血散血的功效,两者相使配伍同用,可增强活血化瘀、养血活血之功效,因此“当归-川芎”常作为活血化瘀的药对使用,但它们配伍增效的物质基础并未阐明,我们通过数据库和文献检索获得川芎和当归14个有效成分,其中4个共有成分,分别是咖啡酸、阿魏酸、洋川芎内酯I、藁本内酯. 其中咖啡酸和阿魏酸是酚酸类成分,咖啡酸在机体内儿茶酚氧位甲基转移酶的作用下可转化成阿魏酸,而阿魏酸具有抗氧化、抗血栓、降血脂、降低心肌缺氧、抗菌、抗肿瘤和脑保护等多种药理作用[6-7]. 洋川芎内酯I和藁本内酯是苯酞类成分,洋川芎内酯I具有保护脑、抗凝血作用,藁本内酯具有抗动脉粥样硬化、抗炎镇痛、抗老年痴呆、抗脑缺血、抗肿瘤、抗脂质过氧化、改善微循环等作用[8-9]. 这些共有成分可能是“当归-川芎”药对配伍增效的物质基础,可以进一步通过成分敲出、敲入等技术来验证.

    “当归-川芎”常常配对使用,尤其多见于一些治疗妇科疾病的名方,比如四物汤、佛手散、血府逐瘀汤、温经汤等. 通过数据库检索发现,构建和分析“当归-川芎”药对的“成分-靶点”网络,获得54个关键靶点,其中11个是川芎和当归共有靶点,分别是PTGS1,VDR,PTGS2,CDC25A,CYP19A1,NR1H4,PRKACA,AR,ESR2,ADRB2,NCOA2. 有研究发现PTGS2是FDA批准的治疗子宫内膜异位症的靶点之一[10],而且“当归-川芎”药对中的阿魏酸和川芎嗪能抑制PTGS2的表达[11-14]. CYP19A1参与雌激素合成,ESR2是雌激素受体,分子对接结果中,豆甾醇、β-谷甾醇、洋川芎内酯A、藁本内酯与ESR2有较好的结合活性,也有研究发现阿魏酸和川芎嗪能抑制雌激素水平[4, 10],但是“当归-川芎”药对及其活性成分对CYP19A1和ESR2的作用还未见报道,值得研究. 其中34个关键靶点也是FDA批准药物靶点,PTGS2,ESR2可作为治疗女性生殖系统疾病及妊娠并发症的靶点,进一步KEGG通路富集分析发现,关键靶点调控多条与雌激素、孕激素相关的通路,包括Estrogen signaling pathway,Oxytocin signaling pathway,Progesterone-mediated oocyte maturation,GnRH signaling pathway,Endocrine and other factor-regulated calcium reabsorption,这可能是“当归-川芎”配对用于治疗妇科疾病的机制,值得进一步深入研究.

参考文献 (14)

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