張 璐，王 建，李 洋,2，陸小華,2，周厚琴,2，趙艷玲(.成都中醫(yī)藥大學藥學院，四川 成都637； 2.解放軍第302醫(yī)院藥學部，北京 00039)

·本期特稿·

*博士研究生。研究方向：臨床中藥學。E-mail：413182269@qq.com

#通信作者：主任藥師，博士，研究員。研究方向：中藥藥理學。E-mail：zhaoyl2855@126.com

基于分子對接技術探討“附子無干姜不熱”的作用機制Δ

張 璐1,2*，王 建1，李 洋1,2，陸小華1,2，周厚琴1,2，趙艷玲2#
(1.成都中醫(yī)藥大學藥學院，四川 成都611137； 2.解放軍第302醫(yī)院藥學部，北京 100039)

目的：利用分子對接技術，探討“附子無干姜不熱”的作用機制。方法：利用相關數(shù)據(jù)庫和Autodock 4.2軟件，將附子、干姜中烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚等7種主要成分與線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運蛋白(mitochondrial calcium uniporter，MCU)進行分子對接。結(jié)果：在溫度保持在298.15 K的條件下，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)分別為180.40、258.88、430.37、574.20、130.57、629.48和167.00 mmol/L，與MCU(4XTB)的抑制常數(shù)分別為199.380 00 μmol/L，2.760 00、0.218 37、1.370 00、1.780 00、3.660 00 mmol/L和0.217 14 μmol/L。結(jié)論：“附子無干姜不熱”的作用機制可能與干姜中6-姜酚、6-姜烯酚和10-姜酚競爭性抑制烏頭堿與Pro1130氨基酸殘基和Asp148氨基酸殘基結(jié)合，減弱烏頭堿對MCU(4XTB)以及MCU(4XSJ)的抑制作用有關。

附子； 干姜； 分子對接； 作用機制

附子為毛茛科烏頭屬植物烏頭AconitumcarmichaeliiDebx.的子根的加工品，辛熱有毒，具有回陽救逆、助陽補火和散寒止痛的功效，多用于亡陽虛脫、肢冷脈微等“陽虛”或“亡陽”的患者。干姜為姜科多年生草本植物姜ZingiberofficinaleRosc.的干燥根莖，具有溫中散寒、回陽通脈的功效。兩者同屬溫里藥，常相須為用，除可增強回陽救逆、溫中散寒止痛的功效外，還可降低附子的毒性，被廣泛用于中醫(yī)臨床各科。

鈣離子是生命體不可缺少的重要離子。線粒體鈣離子內(nèi)穩(wěn)態(tài)對于細胞鈣離子介導的多種細胞反應具有十分重要的意義：一方面可有效調(diào)節(jié)細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子信號和震蕩而發(fā)揮緩沖作用，另一方面對線粒體本身的物質(zhì)和能量代謝、細胞分裂和分化、細胞生存和死亡等均具有重要的調(diào)節(jié)功能[1]。線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運蛋白(mitochondrial calcium uniporter，MCU)是線粒體攝入鈣離子的重要分子“機器”，對線粒體的能量代謝和維持細胞生存起著關鍵作用。MCU核基因位于10號染色體，編碼的蛋白質(zhì)的分子量為40 kD，該蛋白在線粒體攝取期間轉(zhuǎn)化為分子量為35 kD蛋白質(zhì)的成熟形式。MCU具有2個跨膜的α-螺旋結(jié)構，該結(jié)構在不同的物種間高度保守。其N和C末端結(jié)構域跨膜進入線粒體基質(zhì)中，MCU的 9-aa連接器面對著兩膜間隙[2]。線粒體快速轉(zhuǎn)運鈣離子穿過線粒體膜，并在線粒體內(nèi)存有鈣離子效應器的基質(zhì)中積聚[3]。本研究選取附子和干姜中7種主要成分，通過Autodock軟件模擬預測附子中烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿以及干姜中6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚與MCU的相互作用，為探究附子和干姜配伍調(diào)控MCU信號通路以增強其“熱性”相關作用機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料

Autodock 4.0軟件來源于美國斯克利普斯研究所(autodock.scripps.edu)，所有蛋白受體晶體結(jié)構來源于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(http：//www.rcsb.org)。軟件運行于Linux操作平臺下。相關軟件均為已授權或免費授權的軟件。

1.2方法

1.2.1 結(jié)構預處理：附子中烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿以及干姜中6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚的化學結(jié)構均來源于中醫(yī)藥資料庫(http：//tcm.cmu.edu.tw)；在蛋白質(zhì)MCU晶體結(jié)構數(shù)據(jù)庫(http：//www.rcsb.org)中找尋蛋白受體的結(jié)構，發(fā)現(xiàn)2個MCU，其結(jié)構提取碼分別為4XSJ(見圖1)和4XTB(見圖2)。對接模擬前，將所有配體從蛋白受體復合物中去除，隨后得到MCU，加上極性氫原子及電荷后，與烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚進行分子對接。

A. 烏頭堿；B.次烏頭堿；C.新烏頭堿；D.6-姜酚；E.8-姜酚；F.10-姜酚；G.6-姜烯酚A.aconitine; B.hypaconitine; C.new aconitine; D.6-gingerol; E.8-gingerol; F.10-gingerol; G.6-ginger-ene phenol圖1 MCU(4XSJ)的對接空間位置示意圖Fig 1 Schematic diagram of docking space position of MCU(4XSJ)

B.烏頭堿；B.次烏頭堿；C.新烏頭堿；D.6-姜酚；E.8-姜酚；F.10-姜酚；G.6-姜烯酚A.aconitine; B.hypaconitine; C.new aconitine; D.6-gingerol; E.8-gingerol; F.10-gingerol; G.6-ginger-ene phenol圖2 MCU(4XSJ)的對接交互作用二維平面圖Fig 2 2D plane picture of docking interaction of MCU(4XSJ)

1.2.2 Autodock分子對接運用：采用Autodock 4.0軟件預測烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與蛋白受體的結(jié)合，用Autogrid計算格點能量，對接運算采用拉馬克遺傳算法，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與MCU受體之間的結(jié)合情況用半經(jīng)驗的自由能計算方法評價。參數(shù)設置過程中，將參數(shù)“maximum number of energy evaluations”改為2 500 000，“ga-run”改為100，其他參數(shù)采用軟件的默認設置。針對4OIV將中心點改為0.375、9.574、18.816和-30.061，針對MCU位點將中心軸改為-22.387、20.807和-6.361。

2 結(jié)果

經(jīng)Autodock運算分析，得到烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與MCU 2個蛋白受體結(jié)合的復合結(jié)果。對接信息包括半經(jīng)驗化的自由能評價評分、抑制常數(shù)值、對接模擬溫度。

2.1與MCU(4XSJ)的對接信息

結(jié)果顯示，在溫度保持在298.15 K的條件下，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與MCU(4XSJ)的結(jié)合自由能分別為-4.227 710 32、-12.431 979 80、-7.115 948 06、-9.418 166 55、-9.418 166 55、-5.943 909 56和-12.766 848 00 kJ/mol，抑制常數(shù)分別為180.40、258.88、430.37、574.20、130.57、629.48和167.00 mmol/L，見表1。通過Autodock自帶的分析程序，分析得到了MCU(4XSJ)和相關配體的最佳對接構象及其相關作用方式。圖1(A)烏頭堿與MCU蛋白(4XSJ)結(jié)合的空間構型，對應表1中烏頭堿等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，烏頭堿與MCU(4XSJ)中LYS-60的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(A)發(fā)現(xiàn)，烏頭堿與Ser1129和Lys60具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長分別為2.62和2.81 A。圖1(B)對應表1中次烏頭堿等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，次烏頭堿與MCU(4XSJ)中ALA-63的氨基酸殘基有相應的相互作用。圖1(C)對應表1中新烏頭堿等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，新烏頭堿與MCU(4XSJ)中Pro1130的氨基酸殘基有相應的相互作用。圖1(D)對應6-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，6-姜酚與MCU(4XSJ)中Pro1130和Gly1132的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(D)發(fā)現(xiàn)，6-姜酚與Gly1132和Pro1130具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長分別為2.63和2.55 A。圖1(E)對應8-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，8-姜酚與MCU(4XSJ)中AGR-14和LYS-16的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(E)發(fā)現(xiàn)，8-姜酚與Arg14、Arg1124和Arg1134具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長分別為2.94、2.86(2.87)和2.90 A。圖1(F)對應10-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，10-姜酚與MCU(4XSJ)中Gly12的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(F)發(fā)現(xiàn)，10-姜酚與Gly12和Arg8具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長分別為2.65和3.34 A。圖1(G)對應6-姜烯酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，6-姜烯酚與MCU(4XSJ)中PRO-1130的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(G)發(fā)現(xiàn)，6-姜烯酚與Pro1130具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長為2.64 A。

表1 附子、干姜中7種主要成分與MCU(4XSJ)的對接信息Tab 1 Docking information between 7 major components in ALRP and ZR and MCU(4XSJ)

注：“—”表示無相關數(shù)據(jù)

Note：“—”indicates no relevant data available

2.2與MCU(4XTB)的對接信息

結(jié)果顯示，在溫度保持在298.15 K的條件下，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與MCU(4XTB)的結(jié)合自由能分別為-25.910 422 6、-31.017 161 8、-37.044 788 4、-22.854 750 8、-23.817 496 7、-23.691 921 2和-25.491 837 5 kJ/mol，抑制常數(shù)分別為199.38 μmol/L、2.760 00、0.218 37、1.370 00、1.780 00和3.660 00 mmol/L，0.217 14 μmol/L，見表2。通過Autodock自帶的分析程序，分析得到了MCU(4XTB)和相關配體的最佳對接構象及其相關作用方式。圖2(A)為烏頭堿與MCU蛋白(4XTB)結(jié)合的空間構型，對應表2中烏頭堿等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，烏頭堿與MCU(4XTB)中Asp-148的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(A)發(fā)現(xiàn)，烏頭堿與Asp148和Tyr128具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長分別為2.82和2.91 A。圖1(D)對應6-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，6-姜酚與MCU(4XTB)中Lys-150的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(D)發(fā)現(xiàn)，6-姜酚與Lys150具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長為2.86 A。圖1(E)對應8-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，8-姜酚與MCU(4XTB)中Ala136的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(E)發(fā)現(xiàn)，8-姜酚與Ala136具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長為2.91 A。圖1(F)對應10-姜酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，10-姜酚與MCU(4XTB)中Asp148的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(F)發(fā)現(xiàn)，10-姜酚與Asp148具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長為2.80 A。圖1(G)對應6-姜烯酚等級1的對接結(jié)果，結(jié)果顯示，6-姜烯酚與MCU(4XTB)中Tyr128的氨基酸殘基有相應的相互作用；結(jié)合圖2(G)發(fā)現(xiàn)，6-姜烯酚與Tyr128具有氫鍵的相互作用，氫鍵鍵長為2.99 A。

3 討論

分子對接方法在藥物設計中取得了重大成功，已成為基于結(jié)構藥物設計的重要的方法之一。分子對接技術的最初思想起源于E.Fisher提出的“鎖-鑰匙模型”，即受體與配體相互識別的首要條件是空間結(jié)構的匹配。當受體三維結(jié)構為已知時，可以根據(jù)形狀和性質(zhì)互補的原則將配體放置在活性部位，使之形成有利于相互作用的配體-受體復合物即對接。分子對接是將配體分子放到受體活性位點，按照幾何互補、能量互補以及化學環(huán)境互補的原則，時時評價配體與受體相互作用的強弱，并找到分子之間最佳的結(jié)合模式。目前，分子對接技術被廣泛應用于藥物與受體構效[4]、結(jié)構[4]和活性[5]、新藥研發(fā)、藥物篩選[5-6]、靶點尋找與確定[7-8]、活性分子的篩選等[9-10]，以及藥物作用機制的闡釋[11-13]。

從單個化合物對蛋白的影響和抑制常數(shù)絕對值大小的角度分析，8-姜酚對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)最小，為130.57 mmol/L，表明以抑制常數(shù)的絕對值大小為參數(shù)，8-姜酚對MCU(4XSJ)的抑制強度最大；其次分別為6-姜烯酚對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)(167 mmol/L)、烏頭堿對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)(180.40 mmol/L)、次烏頭堿對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)(258.88 mmol/L)。6-姜烯酚對MCU(4XTB)的抑制常數(shù)最小，為0.217 14 μmol/L，表明以抑制常數(shù)的絕對值大小為參數(shù)，6-姜烯酚對MCU(4XTB)的抑制強度最大；新烏頭堿對MCU(4XTB)的抑制常數(shù)為0.218 37 mmol/L，6-姜酚對MCU(4XTB)的抑制常數(shù)為1.37 mmmol/L，8-姜酚對MCU(4XTB)的抑制常數(shù)為1.78 mmol/L。

表2 附子、干姜中7種主要成分與MCU(4XTB)的對接信息Tab 2 Docking information between 7 major components in ALRP and ZR and MCU(4XTB)

從單個蛋白的作用強度上分析，在溫度保持在298.15 K的條件下，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)普遍偏高，最佳結(jié)合構象均屬于“mmol/L”級別，表明其對MCU(4XSJ)的抑制作用較弱甚至不抑制。比較烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚對MCU(4XSJ)的抑制常數(shù)的絕對值發(fā)現(xiàn)，烏頭堿、8-姜酚和6-姜烯酚的抑制常數(shù)較小，可能存在抑制作用趨勢。同時，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和6-姜烯酚與對MCU(4XTB)的抑制常數(shù)普遍偏大，除烏頭堿外，最佳結(jié)合構象均屬于“mmol/L”級別，說明烏頭堿對MCU(4XTB)可能存在抑制作用；其余成分的抑制常數(shù)較小，故其抑制作用較弱甚至不抑制。

此外，通過空間位置示意圖發(fā)現(xiàn)，Pro1130是新烏頭堿、6-姜酚和6-姜烯酚對MCU(4XSJ)共同作用的氨基酸殘基，但在交互作用二維平面圖中，新烏頭堿、6-姜酚和6-姜烯酚對MCU(4XSJ)的Pro1130氨基酸殘基均為氫鍵作用方式，說明MCU(4XSJ)的Pro1130氨基酸殘基可能是MCU(4XSJ)活性作用的潛在作用位點。此外，烏頭堿和10-姜酚對MCU(4XTB)共同作用的氨基酸殘基是Asp148，說明MCU(4XTB)的Asp148氨基酸殘基可能是MCU(4XTB)活性作用的潛在作用位點。

對于“附子無干姜不熱”的描述，歷代本草都有記載?！秱摗酚涊d：“仲景遇陽衰厥逆重證，除投之以附子外，每每輔以干姜。”《證治要訣》記載：“附子無干姜不熱，得甘草則性緩，得桂則補命門?！蓖ㄟ^對附子、干姜中主要成分與MCU的分子對接研究發(fā)現(xiàn)，附子中烏頭堿對MCU(4XTB)及MCU(4XSJ)均可能存在抑制作用，潛在作用位點可能是Pro1130氨基酸殘基和Asp148氨基酸殘基，而干姜中6-姜酚、6-姜烯酚和10-姜酚也作用于Pro1130氨基酸殘基和Asp148氨基酸殘基，同時，其抑制常數(shù)較大。因此，“附子無干姜不熱”的作用機制可能是由于干姜中6-姜酚、6-姜烯酚和10-姜酚競爭性抑制烏頭堿與Pro1130氨基酸殘基和Asp148氨基酸殘基結(jié)合，減弱烏頭堿對MCU(4XTB)及MCU(4XSJ)的抑制作用，進而促進機體“產(chǎn)熱”。然而，分子對接技術僅僅是從理論上推測“附子無干姜不熱”的作用機制，其真正產(chǎn)生作用的原理還有待進一步研究。

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MechanismofAconitiLateralisRadixPraeparataExhibitingFewerHotCharacteristicswithoutZingiberisRhizomaBasedonMolecularDockingTechnologyΔ

ZHANG Lu1,2, WANG Jian1, LI Yang1,2, LU Xiaohua1,2, ZHOU Houqin1,2, ZHAO Yanling2
(1.College of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Sichuan Chengdu 611137, China; 2.Dept.of Pharmacy, 302 Military Hospital of China, Beijing 100039, China)

OBJECTIVE: To probe into the mechanism of Aconiti Lateralis Radix Praeparata(ALRP) exhibiting fewer hot characteristics without Zingiberis Rhizoma(ZR) by molecular docking technology. METHODS: By using the relevant database and Autodock 4.2 software, molecular docking was conducted between aconitine, hypaconitine, new aconitine, 6-gingerol, 8-gingerol, 10-gingerol and 6-ginger-ene phenol in ALRP and ZR and mitochondrial calcium uniporter(MCU) protein molecule. RESULTS: Under the condition of keeping the temperature at 298.15 K, the inhibitory concentrations of aconitine, hypaconitine, new aconitine, 6-gingerol, 8-gingerol, 10-gingerol and 6-ginger-ene phenol inhibiting MCU protein(4XSJ) were respectively 180.40 mmol/L, 258.88 mmol/L, 430.37 mmol/L, 574.20 mmol/L, 130.57 mmol/L, 629.48 mmol/L and 167.00 mmol/L, and MCU protein(4XTB) were respectively 199.380 00 μmol/, 2.760 00 mmol/L, 0.218 37 mmol/L, 1.370 00 mmol/L, 1.780 00 mmol/L, 3.660 00 mmol/L and 0.217 14 μmol/L. CONCLUSIONS: The mechanism of ALRP exhibiting fewer hot characteristics without ZR may be related to competitive inhibition of 6-gingerol, 6-ginger-ene phenol and 10-gingerolon Pro1130 amino acid residues binding with Asp148 amino acid residues, which can weaken the inhibition on aconitine MCU(4XTB) and MCU(4XSJ).

ALRP; ZR; Molecular docking; Mechanism

國家自然科學基金資助項目(No.81173571、No.81573631)

R932

A

1672-2124(2017)10-1297-05

DOI 10.14009/j.issn.1672-2124.2017.10.001

2017-08-02)