邵欣欣,陳 聰,王振國(guó),付先軍*
1山東中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)文獻(xiàn)與文化研究院;2山東中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)經(jīng)典理論教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3山東中醫(yī)藥大學(xué)中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250355
目前,惡性腫瘤(癌癥)已經(jīng)成為威脅人類(lèi)健康和導(dǎo)致人類(lèi)死亡的重要原因之一,如何有效治療腫瘤己成為生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。從20世紀(jì)下半葉開(kāi)始,隨著惡性腫瘤內(nèi)的細(xì)胞凋亡、血管生成以及炎癥等機(jī)制的闡明,以癌癥相關(guān)蛋白為靶點(diǎn)的分子靶向性治療已成為當(dāng)今腫瘤治療的重要方向。相比傳統(tǒng)抗腫瘤藥物,分子靶向藥物具有高效、低毒、選擇性高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)取得了顯著的臨床療效[2]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及人類(lèi)癌癥研究表明,炎癥是癌癥發(fā)生和發(fā)展的重要機(jī)制之一,人類(lèi)的多種癌癥都是由炎癥直接或間接驅(qū)動(dòng)的,使用抗炎藥物可以通過(guò)抑制炎癥和阻止血管生成等來(lái)阻斷腫瘤生長(zhǎng)[3]。
5-脂氧合酶(5-lpoxygenase,5-LOX)是炎癥機(jī)制中的重要蛋白靶點(diǎn),是花生四烯酸(arachidonic acid,AA)代謝到白三烯A4(leukotriene A4,LTA4)的關(guān)鍵酶。已有研究報(bào)道,5-LOX、5-LOX活化蛋白(FLAP)以及其他白三烯(LT)生物合成酶在多種惡性細(xì)胞中過(guò)表達(dá)[4]。5-LOX抑制劑可以通過(guò)抑制酶反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的炎癥因子,直接參與多種類(lèi)型癌癥的進(jìn)展,最終發(fā)揮抑制癌癥的效果。
黃酮類(lèi)化合物是一類(lèi)重要的植物類(lèi)中藥次生代謝產(chǎn)物,該類(lèi)化合物具有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),即2-苯基色原酮,2個(gè)具有酚羥基的苯環(huán)(A、B環(huán))通過(guò)中央3碳原子相互連結(jié)而成的一類(lèi)化合物(見(jiàn)圖1)。
5-LOX的活性位點(diǎn)在其金屬離子Fe3+周?chē)S酮類(lèi)化合物與Fe3+周?chē)被峤Y(jié)合,以阻斷5-LOX與底物結(jié)合,發(fā)揮催化作用,從而發(fā)揮抑制作用[5]。因此,本研究擬以5-LOX、天然黃酮類(lèi)化合物為研究對(duì)象,借助計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系的研究,以期發(fā)現(xiàn)靶向5-LOX的中藥黃酮類(lèi)成分及其來(lái)源中藥的共性特征,為開(kāi)發(fā)靶向5-LOX抗腫瘤新藥提供思路和先導(dǎo)化合物。
圖1 2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of 2-phenyl chromogen
篩選標(biāo)準(zhǔn)[6]:① 2015版《中華人民共和國(guó)藥典》一部收載中藥的主要功效成分,即含量測(cè)定中標(biāo)注的黃酮類(lèi)化合物(不包括黃酮苷類(lèi)化合物)[7];②來(lái)源于植物中藥。
依據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn),本研究選擇18味植物類(lèi)中藥的17種黃酮類(lèi)化合物,其成分信息、中藥性味歸經(jīng)及功效等信息均來(lái)源于2015版《中華人民共和國(guó)藥典》一部[7]。成分結(jié)構(gòu)信息來(lái)源于Pubchem[8],具體見(jiàn)表1、圖2。
表1 黃酮類(lèi)化合物及其來(lái)源中藥信息表
續(xù)表1(Continued Tab.1)
編號(hào)No.中文名稱(chēng)Chinese name英文名稱(chēng)English namePubchem ID來(lái)源中藥Source歸經(jīng)Meridian tropism植物基源科Origin of plant性味Taste功效Efficacy金錢(qián)草肝,膽,腎,膀胱報(bào)春花科甘、咸,微寒利濕退黃,利尿通淋,解毒消腫 瓦松肝,肺,脾景天科酸、苦,涼涼血止血,解毒,斂瘡7花旗松素Taxifolin439533水紅花子肝,胃蓼科咸,微寒散血消癥,消積止痛,利水消腫 8蔓荊子黃素Casticn5315263蔓荊子膀胱,肝,胃馬鞭草科辛、苦,微寒疏散風(fēng)熱,清利頭目9木犀草素Luteolin5280445北劉寄奴脾,胃,肝,膽菊科苦,寒活血祛瘀,通經(jīng)止痛,涼血,止血,清熱利濕 10喬松素Pinocembrin238782草豆蔻脾,胃姜科辛,溫燥濕行氣,溫中止嘔11芹菜素Apigenin5280443制天南星肺,肝,脾天南星科苦、辛,溫;有毒燥濕化痰,祛風(fēng)止痙,散結(jié)消腫 12山姜素Alpinetin154279草豆蔻脾,胃姜科辛,溫燥濕行氣,溫中止嘔 13山奈素Kaempferol5280863垂盆草肝,膽,小腸景天科甘、淡,涼利濕退黃,清熱解毒金錢(qián)草肝,膽,腎,膀胱報(bào)春花科甘、咸,微寒利濕退黃,利尿通淋,解毒消腫 木賊肺,肝木賊科甘、苦,平疏散風(fēng)熱,明目退翳瓦松肝,肺,脾景天科酸,平;有大毒涼血止血,解毒,斂瘡14石吊蘭素Lysionotin160921石吊蘭肺苦苣苔科苦,溫化痰止咳,軟堅(jiān)散結(jié)15楊梅苷Myricetin5281672萹蓄膀胱蓼科苦,微寒利尿通淋,殺蟲(chóng),止癢 16異鼠李素Isorhamnetin5281654垂盆草肝,膽,小腸景天科甘、淡,涼利濕退黃,清熱解毒17芫花素Genkwanin5281617芫花肺,脾,胃瑞香科苦、辛,溫,有毒瀉水逐飲;外用殺蟲(chóng)療瘡
圖2 黃酮類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structures of flavonoids
2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及耗材
實(shí)驗(yàn)儀器:Biacore T200生物分子相互作用分析系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)耗材:靶點(diǎn)蛋白5-LOX(貨號(hào):L6632,購(gòu)自sigma);DMSO(ACS,貨號(hào):0457C072,購(gòu)自VWR);吐溫20(貨號(hào):0777-1L,購(gòu)自 VWR);CM5芯片(貨號(hào):BR-1005-30,購(gòu)自GE);標(biāo)準(zhǔn)品單體均購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟
將5-LOX用醋酸鹽緩沖溶液(PH=4.5)稀釋為20 μg/mL采用氨基偶聯(lián)的方式偶聯(lián)至CM5芯片上(偶聯(lián)量為6 452 RU),將17種單體成分以及陽(yáng)性對(duì)照藥物棉酚分別溶于DMSO中至10 mmol/L,用PBS-P稀釋至500 μmol/L再用緩沖溶液PBS-P+(含5% DMSO)稀釋為250 μM作為最高進(jìn)樣濃度,設(shè)置濃度梯度為250、125、62.5、31.25、15.6 μmol/L依次進(jìn)樣,若出現(xiàn)親和力或者動(dòng)力學(xué)信號(hào),進(jìn)一步減小濃度梯度進(jìn)樣。
由Drug Bank[9](https://www.drugbank.ca/drugs/DB00711)中選取已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的作用于5-LOX的有效抑制劑,構(gòu)建藥效團(tuán)模型,運(yùn)用Discovery Studio 2017 R2(DS 2017 R2)中的Pharmacophores模塊進(jìn)行藥效團(tuán)分析。藥效團(tuán)建立分為兩個(gè)階段:(1)Common Feature Pharmacophores階段,參數(shù)設(shè)置為:Conformation Generation為BEST,構(gòu)象上數(shù)設(shè)置為200,Energy Threshold 參數(shù)為10;(2)與測(cè)試訓(xùn)練集匹配階段:參數(shù)設(shè)置為Conformation Generation為None,Maximum Omitted Features為-1。
將與5-LOX具有親和力的小分子化合物根據(jù)其PubChem_ID號(hào)于PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)中下載3D結(jié)構(gòu),在PDB[10](http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)下載5-LOX(PDB_ID:1F8N)的晶體結(jié)構(gòu)。借助軟件Discovery Studio 2017 R2中的Receptor-Ligand International模塊將此類(lèi)小分子化合物分別與5-LOX進(jìn)行CDOCKER分子對(duì)接。蛋白的的活性位點(diǎn)以晶體結(jié)構(gòu)中自身標(biāo)注的原配體作用的活性氨基酸位點(diǎn)為中心,構(gòu)建相應(yīng)“活性口袋”,使得系統(tǒng)搜尋在活性位點(diǎn)附近的“活性口袋”,最后將“活性口袋”信息為45.757 9、40.541 8、11.638 9,半徑為20.4定位目標(biāo)“活性口袋”,使小分子通過(guò)CDOCKER算法模塊與“活性口袋”中的氨基酸進(jìn)行對(duì)接,參數(shù)設(shè)置:Pose Cluster Radius設(shè)置為0.5,Random Conformations 設(shè)置為10,Orientations to Refine設(shè)置為10,其余維持默認(rèn)參數(shù)不變。
黃酮類(lèi)成分來(lái)源中藥的藥性等信息按照2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》一部進(jìn)行規(guī)范,將“大寒”“寒”“微寒”等規(guī)范為“寒”,“大熱”“熱”等規(guī)范為“熱”,“溫”“微溫”等規(guī)范為“溫”,分為寒、熱、溫、涼、平。按照《中華人民共和國(guó)藥典》記載,藥味按記載分為苦、辛、甘、咸、澀、酸、淡,歸經(jīng)按記載分為肝、肺、腎、心、脾、胃、大腸、膀胱、膽、小腸、心包、三焦。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入R軟件平臺(tái)3.3.1[11],在R語(yǔ)言軟件平臺(tái)調(diào)用arules程序包進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘[12],并采用arulesViz將結(jié)果構(gòu)建靶向腫瘤相關(guān)炎癥蛋白5-LOX中藥黃酮類(lèi)化合物活性與中藥性味等信息關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行可視化處理[13]。
本研究共納入表1中列出的黃酮類(lèi)化合物17種,以棉酚作為陽(yáng)性對(duì)照,其中與5-LOX具有親和力的有11種,與5-LOX具有親和力的黃酮類(lèi)成分中,其中兒茶素、喬松素、表兒茶素為二氫黃酮,高良姜素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素、石吊蘭素、楊梅苷、木犀草素為黃酮。成分與蛋白出現(xiàn)結(jié)合顯示出一定的響應(yīng)值(單位:RU),運(yùn)用Biacore T200 Evaluation Software進(jìn)行分析,擬合出動(dòng)力學(xué)常數(shù)KD值(具體見(jiàn)表2、圖3),根據(jù)KD=[A][B]/[AB]公式,KD表示出處于平衡狀態(tài)時(shí)AB的解離程度,KD越大說(shuō)明解離越多,代表AB之間親和力越弱,KD越小說(shuō)明解離越少,代表AB間親和力越強(qiáng)。分析親和力圖(圖3)的結(jié)合解離曲線,中藥黃酮類(lèi)成分與5-LOX的結(jié)合呈現(xiàn)出3種模式,分別為“快結(jié)合快解離”“慢結(jié)合慢解離”和“快結(jié)合慢解離”,其中楊梅苷、石吊蘭素結(jié)合動(dòng)力學(xué)常數(shù)較低,解離較弱,高良姜素、對(duì)照品棉酚是典型的“快結(jié)合慢解離”;喬松素是典型的“快結(jié)合快解離”。
表2 黃酮類(lèi)化合物與5-LOX的親和力
續(xù)表2(Continued Tab.2)
中文名稱(chēng)Chinese name英文名稱(chēng)English name來(lái)源中藥SourceKDPubchem_IDCDOCKER score山奈素Kaempferol垂盆草6.860E-4528086336.279木賊金錢(qián)草異鼠李素Isorhamnetin垂盆草5.113E-4528165442.996 7表兒茶素L-Epicatechin金蕎麥3.379E-47227643.737 1兒茶兒茶素Cianidanol兒茶2.735E-5906443.898 8楊梅苷Myricetin萹蓄1.096E-9528167244.384 5木犀草素Luteolin北劉寄奴2.349E-5528044537.768 1高良姜素Galangin高良姜2.008E-4528161635.651 8喬松素Pinocembrin草豆蔻2.356E-423878230.180 2芹菜素Apigenin制天南星5.581E-4528044341.324 9石吊蘭素Lysionotin石吊蘭6.042E-816092143.938 6棉酚Gossypol草棉8.953E-9350357.641 1
圖3 黃酮類(lèi)化合物與5-LOX的親和力圖Fig.3 Affinity diagram of flavonoids and 5-LOX注:上圖中U代表結(jié)合階段,V代表解離階段。Note:As shown in the diagram,U stands for the stage of combination,V stands for the stage of dissociation.
3.2.1 藥效團(tuán)建立模型與評(píng)價(jià)
由Drug Bank中選取已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的作用于5-LOX的6個(gè)有效抑制劑為分子訓(xùn)練集1(表3),構(gòu)建藥效團(tuán)模型,以上述11個(gè)來(lái)源于中藥的黃酮類(lèi)成分建立分子訓(xùn)練集2,查看藥效團(tuán)與分子訓(xùn)練集2的匹配情況,得到藥效團(tuán)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示,由圖4中的Fit value作為評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選最優(yōu)藥性團(tuán)模型,結(jié)果顯示藥效團(tuán)8的得分20.606 08為最高,提示受試活性分子與藥效團(tuán)8更為匹配,因此將藥效團(tuán)8作為研究黃酮小分子藥效團(tuán)最優(yōu)模型,然后將11個(gè)與5-LOX具有親和力的小分子黃酮類(lèi)化合物分別與5-LOX經(jīng)行分子對(duì)接,根據(jù)對(duì)接結(jié)果分析此11個(gè)小分子與5-LOX的相互作用模式以及可能的作用活性位點(diǎn)。
表3 5-LOX抑制劑分子集
圖4 藥效團(tuán)評(píng)價(jià)熱圖Fig.4 Heat map of pharmacophore evaluation
圖5 5-LOX抑制劑藥效團(tuán)模型(A)與訓(xùn)練集2藥效團(tuán)匹配結(jié)果(B)Fig.5 Pharmacophore model of 5-LOX inhibitor注:圖中HB藍(lán)色圓形球體表示疏水基團(tuán);HA綠色圓形球體表示氫鍵受體;HD紫紅色圓形球體表示氫鍵供體。Note:As shown in the diagram, HB stands for the feature of hydrophobic,HA stands for the feature of hydrogen bonding acceptor,HD stands for the feature of hydrogen bonding donor
3.2.2 分子對(duì)接結(jié)果分析
分子對(duì)接打分結(jié)果見(jiàn)表2,如表所示,CDOCKER Score的分?jǐn)?shù)多在30以上,通過(guò)分析小分子與關(guān)鍵氨基酸的成鍵及其與藥效團(tuán)模型匹配結(jié)構(gòu)圖(圖6-8),可以發(fā)現(xiàn)其成鍵作用有如下3種方式。
3.2.2.1 木犀草素、槲皮素、表兒茶素、高良姜素、石吊蘭素5個(gè)黃酮小分子均是由B環(huán)與5-LOX在活性位點(diǎn)ASP243形成靜電中心,以便與5-LOX相互作用(以木犀草素為例,詳見(jiàn)圖6)。
3.2.2.2 芹菜素、山奈素、喬松素、異鼠李素此4種黃酮小分子均含有不同的類(lèi)型的-OH,從而由數(shù)量或者位置上給黃酮賦予了不同的極性與結(jié)構(gòu),導(dǎo)致黃酮的苯環(huán)呈現(xiàn)出電子偏移的現(xiàn)象,與5-LOX結(jié)合方式也發(fā)生了改變,由原來(lái)的B環(huán)與ASP243以靜電中心相連,轉(zhuǎn)變?yōu)锳環(huán)與活性位點(diǎn)VAL520以疏水鍵相連,與ASP243形成氫鍵。兒茶素是右旋結(jié)構(gòu)的二氫黃酮,具有特殊的空間結(jié)構(gòu),使得它呈現(xiàn)出一個(gè)特殊的藥效團(tuán)特征,雖然兒茶素的藥效團(tuán)特征與其它10個(gè)小分子不同,但是其通過(guò)構(gòu)型變換使得與5-LOX的結(jié)合位點(diǎn)同喬松素、山奈素、芹菜素、異鼠李素相似,即A環(huán)活性位點(diǎn)VAL520以疏水鍵相連,而ASP243氨基酸則形成氫鍵(以芹菜素、兒茶素為例,詳見(jiàn)圖7)。
3.2.2.3 楊梅苷是一個(gè)具有較強(qiáng)極性的黃酮單體,其B環(huán)上的3個(gè)-OH以及3號(hào)位的-OH使得楊梅苷B環(huán)上的電子排布發(fā)生變化,出現(xiàn)電子偏移,從而展現(xiàn)出較強(qiáng)的極性,由圖8藥效團(tuán)模型可以看出,楊梅苷在沒(méi)有形成疏水鍵的情況下形成靜電中心,與5-LOX在活性位點(diǎn)ASP243產(chǎn)生相互作用(詳見(jiàn)圖8)。
圖6 木犀草素與5-LOX的分子對(duì)接(A)及藥效團(tuán)模型圖(B)Fig.6 Molecular docking (A) and pharmacophore (B) model of luteolin with 5-LOX
圖7 芹菜素(A-B)、兒茶素(C-D)與5-LOX的分子對(duì)接及藥效團(tuán)模型圖Fig.7 Molecular docking and pharmacophore model of 5-LOX with apigenin(A-B) and catechin(C-D)
以5-LOX活性為中心節(jié)點(diǎn)(Center Node),以靶向5-LOX黃酮類(lèi)成分來(lái)源中藥的藥性、功效等信息作為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)(Related nodes),以各信息節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系作為網(wǎng)絡(luò)的邊(Edge),通過(guò)R語(yǔ)言軟件平臺(tái)arules和arulesViz程序包,構(gòu)建了靶向腫瘤相關(guān)炎癥蛋白5-LOX中藥黃酮類(lèi)化合物活性與中藥性味等信息關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖9)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),靶向腫瘤相關(guān)炎癥蛋白5-LOX中藥黃酮類(lèi)化合物活性與其來(lái)源中藥的利濕、退黃、解毒、止血以及清熱等功效,甘苦寒性味,以及景天科具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系,結(jié)果提示具有甘苦寒藥性,利濕、退黃、解毒等功效,歸肝膽經(jīng),且來(lái)源于景天科植物的黃酮類(lèi)天然產(chǎn)物更有可能對(duì)5-LOX具有活性作用,可以為從中藥中篩選靶向5-LOX的活性化合物提供線索和參考。
圖8 楊梅苷與5-LOX分子對(duì)接圖(A)及藥效團(tuán)模型圖(B)Fig.8 Molecular docking (A) and pharmacophore model (B) of 5-LOX with myricetin
圖9 關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.9 Association network diagram
研究中藥來(lái)源的天然產(chǎn)物及其衍生物作為治療藥物的先導(dǎo)化合物,對(duì)于我國(guó)創(chuàng)新藥物的開(kāi)發(fā)具有重要價(jià)值。目前,大量天然產(chǎn)物來(lái)源的化合物已被批準(zhǔn)進(jìn)入臨床試驗(yàn)和新藥市場(chǎng)[20]。天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)具有高化學(xué)多樣性、生物化學(xué)特異性等特點(diǎn),這使它們成為藥物發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)結(jié)構(gòu),同時(shí)也使其不同于合成化合物和組合化合物。5-LOX作為炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)重要的參與者,在多種癌癥中均有異常表達(dá)。
本研究共發(fā)現(xiàn)11種黃酮小分子與5-LOX具有相互作用,其中異鼠李素、喬松素、石吊蘭素為首次發(fā)現(xiàn)。借助分子對(duì)接技術(shù)分析這11種小分子與5-LOX的作用活性位點(diǎn),發(fā)現(xiàn)了11種小分子的藥效團(tuán)模型以及其與5-LOX相互作用的方式。其中,槲皮素、木犀草素、表兒茶素、高良姜素、石吊蘭素是由B環(huán)與5-LOX在活性位點(diǎn)ASP243形成靜電中心,以便與5-LOX相互作用;喬松素、芹菜素、異鼠李素、山奈素、兒茶素是由A環(huán)與活性位點(diǎn)VAL520以疏水鍵相連,與ASP243形成氫鍵;楊梅苷在未體現(xiàn)疏水特征的情況下形成靜電中心,與5-LOX在活性位點(diǎn)ASP243產(chǎn)生相互作用。
結(jié)果還發(fā)現(xiàn),靶向腫瘤相關(guān)炎癥蛋白5-LOX中藥黃酮類(lèi)化合物活性與其來(lái)源中藥的利濕、退黃、解毒、止血以及清熱等功效,甘苦寒性味,以及景天科具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)清熱、解毒、利濕、退黃中藥在慢性乙型肝炎的治療中有干預(yù)和抑制肝炎炎癥活動(dòng)的作用,具有顯著抗炎和抗腫瘤活性[21,22]。而且有文獻(xiàn)報(bào)道抗腫瘤中藥以寒性和苦味藥最多,分別占32%和35%,歸肝經(jīng)的中藥占24%,抗腫瘤中藥功效頻次較高的為解毒、止痛、消腫、清熱[23];也有研究證實(shí)景天科景天屬植物藥中的黃酮類(lèi)成分確實(shí)具有抗腫瘤效果[24],與我們的研究結(jié)果基本一致,這也為從中藥中篩選抗腫瘤活性成分提供思路。
5-LOX是腫瘤相關(guān)炎癥通路的重要靶點(diǎn),然而這11種化合物抗腫瘤活性及其作用機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。另外由于本研究納入的中藥及其黃酮類(lèi)化合物樣本量較少,靶向腫瘤相關(guān)炎癥蛋白5-LOX中藥黃酮類(lèi)化合物活性與中藥性味等信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系還有待進(jìn)一步證實(shí)。