劉金壘,但文超,2*,何慶勇,許博文,2,曲藝,2
1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院 廣安門(mén)醫(yī)院,北京 100053;2.北京中醫(yī)藥大學(xué),北京 100029
白細(xì)胞減少癥(leukopenia)是指外周血白細(xì)胞計(jì)數(shù)<4×109個(gè)/L[1]的一種常見(jiàn)血液病,其發(fā)病率可達(dá)12.36%[2]。其臨床病因復(fù)雜,最常見(jiàn)于腫瘤患者因放療、化療后造血干細(xì)胞損傷所致的骨髓抑制狀態(tài)[3],進(jìn)而使自身外周血白細(xì)胞數(shù)量減少。臨床表現(xiàn)多為乏力、倦怠、精神萎靡不振、發(fā)熱、睡眠差、食欲下降,以致腫瘤患者機(jī)體抵抗力低下,易感染,甚至導(dǎo)致治療中斷。
目前治療白細(xì)胞減少癥的臨床一線藥物如利血生、重組人粒細(xì)胞刺激因子等,其升高白細(xì)胞療效不穩(wěn)定,單獨(dú)用藥成本高昂,而且常伴隨多種并發(fā)癥,存在臨床安全評(píng)價(jià)不良的弊端[4]。因此白細(xì)胞減少癥的治療亟待尋求一種價(jià)格相對(duì)低廉,療效穩(wěn)定的藥物。
伴隨著中醫(yī)藥現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加速,天然藥物的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)通過(guò)不同劑型得以發(fā)揮。地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的優(yōu)勢(shì)不斷得以驗(yàn)證[5-6]。地榆升白片的成分主要為地榆,輔料為蔗糖?;A(chǔ)研究表明,地榆的主要成分為地榆皂苷、鞣質(zhì)、大黃酚、胡蘿卜苷、β谷甾醇及兒茶素等[7],而鞣質(zhì)和皂苷類(lèi)成分被認(rèn)為是地榆發(fā)揮其升白效果的主要活性成分。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其分子活性的研究雖相對(duì)深入,但對(duì)其在機(jī)體內(nèi)的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)方式與途徑等方面研究尚待深入[8]。本研究借助中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法,系統(tǒng)地分析地榆的有效活性成分和潛在作用靶點(diǎn),探討其發(fā)揮升白作用可能的作用機(jī)制,為今后的實(shí)驗(yàn)研究提供借鑒。
檢索中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和分析平臺(tái)[9](traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP)、TCM-MESH數(shù)據(jù)庫(kù)[10]、ETCM數(shù)據(jù)庫(kù)(the encyclopedia of traditional Chinese medicine)[11]以獲取地榆的全部成分,將獲得的成分錄入TCMSP平臺(tái)以匹配信息,篩選活性成分條件為口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%、類(lèi)藥性(drug-likeness,DL)≥0.18[12],根據(jù)已有文獻(xiàn)整理出地榆升高白細(xì)胞的成分并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。通過(guò)PubChem(https://pubchem. ncbi. nlm.nih.gov/)獲取活性成分sdf分子結(jié)構(gòu),并在SwissTargetPrediction平臺(tái)[13]預(yù)測(cè)其潛在靶點(diǎn)。
地榆“活性成分-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)軟件Cytoscape 3.7.1[14]來(lái)構(gòu)建與分析,其中用“節(jié)點(diǎn)”(node)表示成分或靶點(diǎn),用“邊”(edge)表示兩者之間的關(guān)系;采用Cytoscape 3.7.1軟件內(nèi)置的network analyzer分析工具分析網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù),包括連接度(degree)、介度(betweenness)及緊密度(closenesss)等,研究地榆中較為重要的成分和靶點(diǎn)及之間的關(guān)系。
利用“l(fā)eukopenia”為關(guān)鍵詞,在GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)[15]、OMIM數(shù)據(jù)庫(kù)[16]、DisGenet數(shù)據(jù)庫(kù)[17]、TTD數(shù)據(jù)[18]、DigSee數(shù)據(jù)庫(kù)[19]、DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)[20]等疾病基因數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索與篩選,將得到的靶點(diǎn)匯總并去除重復(fù)值,再根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道補(bǔ)充未預(yù)測(cè)到的有效成分的已知靶點(diǎn),利用Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)將所得靶點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。
通過(guò)BisoGenet構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)。將地榆活性成分相關(guān)靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)分別導(dǎo)入BisoGenet內(nèi),各自生成PPI網(wǎng)絡(luò),通過(guò)Cytoscape中的Merge功能提取2個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)的交集網(wǎng)絡(luò)并運(yùn)用CytoNCA[21]分析交集網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性值。計(jì)算連接度的中位數(shù)k1并選出連接度大于2倍k1的所有節(jié)點(diǎn),即“Hit hubs”。計(jì)算Hit hubs網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性,分別得到連接度中心性(degree centrality,DC)、緊密度中心性(closeness centrality,CC)、介度中心性(betweenness centrality,BC)、網(wǎng)絡(luò)中心性(network centrality,NC)和局部邊連通性(local average connectivity,LAC)的5個(gè)中位數(shù)k2、l2、m2、n2、o2,選出節(jié)點(diǎn)屬性同時(shí)滿足>k2、l2、m2、n2、o2的所有節(jié)點(diǎn)作為核心靶點(diǎn)。
Metascape平臺(tái)(http://metascape.org)[22]可對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行通路富集分析,該平臺(tái)整合了GO、KEGG、Uniprot等多個(gè)權(quán)威的功能數(shù)據(jù)庫(kù),支持對(duì)批量基因或蛋白質(zhì)進(jìn)行注釋、富集分析及構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)。將潛在作用靶點(diǎn)導(dǎo)入Metascape平臺(tái)進(jìn)行GO及KEGG分析,保存其結(jié)果并通過(guò)R軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化。
從TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)獲取到41個(gè)地榆成分,根據(jù)OB和DL參數(shù)篩選初步獲得13個(gè)成分,剔除4個(gè)未查詢到靶點(diǎn)的成分,并根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道補(bǔ)充地榆皂苷Ⅰ與地榆皂苷Ⅱ[23-24],最終獲得11個(gè)活性成分。運(yùn)用TCMSP靶點(diǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)上述11個(gè)成分作用靶點(diǎn)加以預(yù)測(cè)。若TCMSP未納入該成分靶點(diǎn)信息,則登入Pubchem網(wǎng)站下載該成分sdf結(jié)構(gòu)信息,并通過(guò)Swiss Prediction網(wǎng)站進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)結(jié)果補(bǔ)充進(jìn)上述靶點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果中。11個(gè)活性成分見(jiàn)圖1和表1。
注:藍(lán)色圓代表全部41個(gè)成分;黃色圓代表OB篩選;紅色圓代表DL篩選。圖1 ADME篩選結(jié)果活性成分分布
表1 地榆升白片中候選活性成分
利用相關(guān)靶點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)上述活性成分進(jìn)行作用靶點(diǎn)預(yù)測(cè),排除重復(fù)靶點(diǎn),共獲得預(yù)測(cè)靶點(diǎn)109個(gè)。利用Cytoscape 3.7.1對(duì)地榆活性成分及其作用靶點(diǎn)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行繪制和分析,共獲得120個(gè)節(jié)點(diǎn)(包含109個(gè)靶點(diǎn)和11個(gè)活性成分)與161條關(guān)系,圖中節(jié)點(diǎn)的大小代表相應(yīng)的度值,節(jié)點(diǎn)面積越大代表度值越大,表示涉及的生物功能越多,其生物學(xué)重要性越高,見(jiàn)圖2。
注:圖中綠色代表活性成分作用的靶點(diǎn);藍(lán)色代表11個(gè)活性成分。圖2 地榆活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
檢索Genecards、OMIM、Disgenet、TTD、DigSee和DrugBank 6個(gè)疾病數(shù)據(jù)庫(kù),分別得到靶點(diǎn)個(gè)數(shù)為1112、13、245、0、0和1。將得到的靶點(diǎn)匯總并去除重復(fù)靶點(diǎn),最終得到1204個(gè)疾病靶點(diǎn)。
2.4.1地榆治療白細(xì)胞減少癥的PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 運(yùn)用Cytoscape 3.7.1中的BisoGenet功能,分別構(gòu)建地榆和白細(xì)胞減少癥的PPI網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)地榆潛在靶點(diǎn)可與5178個(gè)靶點(diǎn)產(chǎn)生直接或間接作用,而這些靶點(diǎn)之間的相互關(guān)系可達(dá)130 414種。與此同時(shí),對(duì)白細(xì)胞減少癥相關(guān)的靶點(diǎn)繪制PPI網(wǎng)絡(luò),顯示與其直接或者間接相關(guān)的靶點(diǎn)可達(dá)10 818個(gè),這些靶點(diǎn)之間的相互聯(lián)系可達(dá)224 920種,兩者交集網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。
圖3 地榆升白片與白細(xì)胞減少癥的PPI網(wǎng)絡(luò)交集網(wǎng)絡(luò)
2.4.2地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥關(guān)鍵靶點(diǎn)篩選 為獲取PPI網(wǎng)絡(luò)中更豐富的節(jié)點(diǎn)連接信息以及優(yōu)化節(jié)點(diǎn)信息傳遞效率,充分明確在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用的靶點(diǎn),本研究計(jì)算了上述PPI交集網(wǎng)絡(luò)圖的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)特征屬性值。通過(guò)2次篩選,共獲得關(guān)鍵靶點(diǎn)167個(gè),具體篩選策略見(jiàn)圖4,最終篩選得到的靶點(diǎn)互相作用關(guān)系見(jiàn)圖5。
圖4 地榆升白片干預(yù)白細(xì)胞減少癥關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的篩選策略
圖5 地榆升白片核心靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)
由于PPI網(wǎng)絡(luò)中蛋白的作用是相互的,所以通常歸為無(wú)向圖。PPI復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中存在部分密度較高的區(qū)域稱為community或module。module內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)是PPI網(wǎng)絡(luò)的潛在子網(wǎng),子網(wǎng)連線密度較高,區(qū)域部分連線少,因此module被認(rèn)為是具有生物學(xué)意義的集合,該集合有2種含義,一為蛋白質(zhì)復(fù)合體(protein complex),即多個(gè)蛋白質(zhì)共同組成復(fù)合體而后發(fā)揮生物學(xué)作用;一為功能模塊(functional module),如位于同一通路的蛋白質(zhì),其相互作用更加密切。故為更精確地分析地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的作用機(jī)制,在得到核心PPI網(wǎng)絡(luò)后,有必要進(jìn)一步識(shí)別其內(nèi)在module。通過(guò)分子復(fù)合物檢測(cè)算法對(duì)相互作用關(guān)系進(jìn)行分析,得到module,見(jiàn)圖6。根據(jù)P值,分別保留PPI網(wǎng)絡(luò)與module中3個(gè)最佳評(píng)分的生物學(xué)進(jìn)程并對(duì)其進(jìn)行功能描述,見(jiàn)表2。
注:A~F為具有生物集合意義的6個(gè)功能團(tuán)。圖6 地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥核心PPI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部潛在module網(wǎng)絡(luò)
表2 地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的PPI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部潛在module功能描述(前3位)
本研究使用Metascape平臺(tái)對(duì)上述167個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行基因富集分析,包括GO的BP(biological process)、CC(cellular component)、MF(molecular function)以及KEGG通路,保存其結(jié)果并使用R語(yǔ)言繪制氣泡圖(bubble chart),結(jié)果見(jiàn)圖7。氣泡顏色由紅到紫代表lgP值從小到大,lgP值越小代表顯著性越強(qiáng),氣泡越大代表該通路的基因計(jì)數(shù)(count值)越大,橫軸代表該通路基因所占總體輸入基因的比率(ratio)。
圖7A表明地榆調(diào)控白細(xì)胞減少癥主要涉及的生物學(xué)過(guò)程有DNA修復(fù)(DNA repair)、RNA剪接(RNA splicing)、翻譯(translation)、mRNA分解過(guò)程(mRNA catabolic process)、細(xì)胞周期過(guò)程的調(diào)控(regulation of cell cycle process)等。這些過(guò)程直接作為細(xì)胞修復(fù)和細(xì)胞增殖的環(huán)節(jié),表明地榆對(duì)于白細(xì)胞的修復(fù)和產(chǎn)生具有直接的調(diào)控作用。
圖7D為KEGG通路富集結(jié)果,圖中顯示了排名前20的信號(hào)通路,包括剪接體通路(spliceosome)、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架調(diào)控(regulation of actin cytoskeleton)、細(xì)胞周期通路(cell cycle)、細(xì)胞凋亡(apoptosis)通路等,此外還包括地榆與白細(xì)胞減少癥間接相關(guān)的信號(hào)通路諸如細(xì)胞間緊密連接(tight junction)、泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解(ubiquitin mediated proteolysis)等。
注:A. GO-BP分析;B. GO-CC分析;C. GO-MF分析;D. KEGG分析。圖7 地榆治療白細(xì)胞減少癥作用靶點(diǎn)富集氣泡圖
中醫(yī)學(xué)并沒(méi)有與白細(xì)胞減少癥對(duì)應(yīng)的病名,但其典型癥狀如乏力、頭暈、精神萎靡、食欲減退、面色蒼白或萎黃等與明·李梴所著《醫(yī)學(xué)入門(mén)》中的虛證記載“食少神昏,精不榮,筋骨酸痛”較為接近,故可將其歸于中醫(yī)學(xué)“虛勞”范疇[25]。由圖2可知,地榆升白片調(diào)治白細(xì)胞減少癥的主要成分可能為槲皮素、地榆皂苷、山柰酚等。其中地榆皂苷I可調(diào)控F2、JUN、GLI1、HSD11B2、HSD11B1、BCL2L1等靶點(diǎn),而靶點(diǎn)如F2可與多個(gè)活性成分互相作用,這反映出地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的相互協(xié)調(diào)、共同調(diào)節(jié)的作用機(jī)制。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,槲皮素可與HSP(70和90)、MAT2A和FOXM1相互作用來(lái)促進(jìn)細(xì)胞周期阻滯和凋亡[26],山柰酚能以濃度依賴的方式促進(jìn)細(xì)胞凋亡并抑制多藥耐藥性[27],實(shí)驗(yàn)研究表明,地榆皂苷I可顯著升高骨髓抑制小鼠白細(xì)胞數(shù)量和中性粒細(xì)胞數(shù)量,激發(fā)其造血干細(xì)胞自噬的發(fā)生,并顯著上調(diào)造血干細(xì)胞中Atg5、Atg7和Beclin-1蛋白的表達(dá)水平[21],地榆皂苷II通過(guò)激活3大細(xì)胞凋亡通路來(lái)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡,間接對(duì)白細(xì)胞減少癥起治療作用。
本研究按照篩選策略共得到167個(gè)潛在關(guān)鍵靶點(diǎn)。根據(jù)度值排名,其中較為重要的有FUS、CUL5、NPM1、HNRNPA1、HSPA5、H2AFX、TUBG1。基礎(chǔ)研究表明,F(xiàn)US參與了轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、RNA剪接與轉(zhuǎn)運(yùn)等多種細(xì)胞生命活動(dòng)[28],其主導(dǎo)的DNA或RNA結(jié)合蛋白能在DNA雙鏈斷裂修復(fù)過(guò)程中促進(jìn)D-環(huán)形成和同源重組,進(jìn)而影響細(xì)胞生命活動(dòng)[29]。CUL5具有結(jié)合泛素蛋白連接酶的功能[30],其參與的ERBB2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可參與激活核糖體RNA基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)增強(qiáng)翻譯和細(xì)胞生長(zhǎng)[31],這在固有凋亡信號(hào)通路中起調(diào)控作用[32]。NPM1能調(diào)節(jié)中心體復(fù)制,并通過(guò)抑制EIF2AK2/PKR自身磷酸化來(lái)抑制細(xì)胞凋亡[33],故推測(cè)地榆升白片可能通過(guò)抑制NPM1的功能來(lái)對(duì)抗白細(xì)胞減少癥。而γ-微管蛋白(TUBG1)是人類(lèi)細(xì)胞中心體實(shí)現(xiàn)組裝功能所需的必要蛋白質(zhì),同時(shí)γ-微管蛋白還參與細(xì)胞胞質(zhì)分裂的協(xié)調(diào)[34]。熱休克蛋白5(HSPA5)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蛋白質(zhì)折疊和質(zhì)量控制中起關(guān)鍵作用[35-38],而組蛋白家族成員(H2AFX)在維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和遺傳穩(wěn)定性方面很重要[39]。以上研究表明,地榆升白片通過(guò)多靶點(diǎn)對(duì)白細(xì)胞減少癥起到調(diào)治作用。
地榆升白片調(diào)治白細(xì)胞減少癥涉及DNA修復(fù)、mRNA分解過(guò)程、RNA剪接、DNA代謝過(guò)程的調(diào)控、細(xì)胞分裂等多個(gè)生物學(xué)進(jìn)程,這些進(jìn)程是細(xì)胞修復(fù)和細(xì)胞增殖的直接環(huán)節(jié)。細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)(regulation of cellular response to stress)的下游信號(hào)通路聚集在TSC1/2,TSC1/2可抑制對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)功能具有促進(jìn)作用的雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(mTORC1)。當(dāng)給予細(xì)胞的刺激達(dá)到一定程度時(shí),可使mTORC1失活[40]。這表明地榆升白片對(duì)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的干預(yù)有可能促進(jìn)白細(xì)胞的修復(fù)與生成。此外,通過(guò)參與細(xì)胞對(duì)輻射的反應(yīng)(response to radiation)通路,推測(cè)地榆升白片能夠間接對(duì)放療引起的白細(xì)胞減少癥產(chǎn)生調(diào)治作用。
從通路富集結(jié)果可知,地榆升白片可能主要干預(yù)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂等直接與細(xì)胞生命相關(guān)的通路,亦可通過(guò)抗腫瘤方面的作用間接調(diào)控白細(xì)胞減少癥。剪接體參與的前體信使RNA的剪接是所有真核生物從DNA到蛋白質(zhì)的信息交流中必不可少的步驟,而其所包含的多效調(diào)控蛋白1(PLRG1)是細(xì)胞周期進(jìn)程和凋亡的關(guān)鍵核調(diào)節(jié)因子[41]。細(xì)胞周期通路的破壞可導(dǎo)致細(xì)胞周期的停滯,相關(guān)研究表明,此通路與癌癥預(yù)后有關(guān)[42-43],故推測(cè)地榆升白片可通過(guò)干預(yù)細(xì)胞周期通路來(lái)調(diào)控白細(xì)胞前體細(xì)胞的分裂與再生,同時(shí)具有一定的抗腫瘤作用。核糖體生物發(fā)生的中斷會(huì)導(dǎo)致核仁應(yīng)激,激活p53信號(hào)傳導(dǎo)途徑,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和凋亡[44]。此外,當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)超過(guò)其折疊能力時(shí),會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬和與凋亡機(jī)制的串?dāng)_,以影響細(xì)胞存亡[45]。緊密連接(tight junction,TJ)包含細(xì)胞質(zhì)銜接蛋白(ZO蛋白),與ZO蛋白相關(guān)的ZO-1相關(guān)核苷酸結(jié)合蛋白(ZONAB)可與增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)、細(xì)胞周期蛋白D1直接相互作用來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期[46]。河馬信號(hào)通路參與細(xì)胞增殖與程序性死亡,其失調(diào)將導(dǎo)致細(xì)胞異常生長(zhǎng)和腫瘤生成[47]。此外,在血液系統(tǒng)惡性腫瘤中,細(xì)胞凋亡程序通常失調(diào),進(jìn)而導(dǎo)致惡性腫瘤細(xì)胞的積累[48],一定程度的積累則產(chǎn)生放、化療的治療需求。
綜上所述,地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的主要成分可能是槲皮素、地榆皂苷、山柰酚等,涉及到細(xì)胞周期、DNA修復(fù)、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)加工、細(xì)胞分裂、細(xì)胞對(duì)輻射的反應(yīng)等多個(gè)生物學(xué)過(guò)程及通路。這為后續(xù)進(jìn)一步探討地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本課題組后續(xù)將設(shè)計(jì)完善相應(yīng)的體內(nèi)或體外實(shí)驗(yàn),構(gòu)建白細(xì)胞減少癥相關(guān)模型,進(jìn)一步分析地榆升白片治療白細(xì)胞減少癥的作用機(jī)制和分子機(jī)制,以驗(yàn)證本研究的分析和結(jié)論。此外,目前對(duì)于具體藥物組分含量及比例因素的定量分析仍缺乏系統(tǒng)的研究模型。今后本課題組將持續(xù)跟進(jìn)相關(guān)進(jìn)展并做進(jìn)一步研究。