柯昌虎,嚴(yán) 慧,趙 陽,朱 軍,李志浩
(1.湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬國藥東風(fēng)總醫(yī)院,湖北十堰 442008;2.西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院(西北醫(yī)院),西安 710004)
人口老齡化在全世界呈不可逆的趨勢,是人類正面臨的一個共同難題。目前,中國65 歲及以上人口比重達(dá)13.50%[1],即將步入中度老齡化階段,人口老齡化程度已明顯高于世界平均水平(9.3%)。衰老是生物體的結(jié)構(gòu)和功能隨著年齡的增長而下降的一種生理性現(xiàn)象,與炎癥反應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)、能量代謝、內(nèi)分泌等有關(guān),已成為糖尿病、癌癥、心血管疾病等人類疾病的主要危險因素[2]。衰老問題是社會問題,也是重要的生物醫(yī)學(xué)問題。如何有效延緩衰老進(jìn)程,提高健康整體水平,應(yīng)對老齡化帶來的挑戰(zhàn),成為當(dāng)下人們思考和關(guān)注的熱點問題。中醫(yī)藥在預(yù)防保健方面優(yōu)勢明顯,中藥及復(fù)方可以有效延緩衰老,干預(yù)老年性疾病發(fā)生發(fā)展過程[3]。
黃精(PolygonatiRhizoma)始載于《名醫(yī)別錄》,自古以來作為養(yǎng)生佳品,是一味藥食同源的藥材,廣泛用于臨床配方、中成藥生產(chǎn)以及古法九制后作為功能性食品及藥膳原料等。藥用黃精來源于百合科植物滇黃精、黃精或多花黃精的干燥根莖,具有補氣養(yǎng)陰、健脾、潤肺、益腎的功效[4]?,F(xiàn)代研究表明,黃精主要含有多糖類、皂苷類、黃酮類、生物堿類、植物甾醇類等化學(xué)成分[5],具有抗衰老、抗腫瘤、降血糖、抑菌抗炎、抗氧化、提高免疫力、抗骨質(zhì)疏松等多方面的藥理作用[6],臨床上用于治療動脈粥樣硬化、卵巢功能減退、糖尿病并發(fā)癥、原發(fā)性高血壓、慢性胃炎、改善心腎及肝腎功能等。研究發(fā)現(xiàn),黃精可以通過調(diào)控BDNF-TrkB 信號途徑,顯著上調(diào)突觸可塑性相關(guān)蛋白的表達(dá),改善自然衰老大鼠海馬和皮層神經(jīng)元損傷,進(jìn)而改善自然衰老大鼠認(rèn)知功能障礙[7];可以通過降低ROS水平來延緩傳代培養(yǎng)內(nèi)皮祖細(xì)胞的衰老進(jìn)程并保護(hù)其功能[8];可以通過抑制ATM/ATR 通路,調(diào)節(jié)內(nèi)皮祖細(xì)胞的細(xì)胞周期,干預(yù)內(nèi)皮祖細(xì)胞的老化進(jìn)程[9]。黃精中功能性成分多糖可以通過調(diào)節(jié)大鼠Klotho-FGF23內(nèi)分泌軸、緩解氧化應(yīng)激、平衡鈣磷代謝發(fā)揮抗衰老作用[10];可以通過抑制氧化應(yīng)激來減輕D-半乳糖誘導(dǎo)的心臟衰老[11];可以清除自由基,增加抗氧化酶活性,能夠改善D-Gal模型小鼠學(xué)習(xí)記憶的能力[12]。雖然黃精具有良好的抗衰老作用,但其抗衰老的藥效物質(zhì)成分尚無系統(tǒng)報道,發(fā)揮療效的具體機制亦不明確。本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接方法,構(gòu)建黃精有效成分-靶點-衰老作用網(wǎng)絡(luò),探討其抗衰老的物質(zhì)基礎(chǔ)及可能的分子作用機制,為臨床治療衰老及保健產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。
通過檢索TCMSP 數(shù)據(jù)庫收集黃精的化學(xué)成分,以口服生物利用度(Oral bioavailability,OB)≥30%和類藥性(Drug-likeness,DL)≥0.18 兩個指標(biāo)作為篩選條件獲取候選成分[13],在PubChem 數(shù)據(jù)庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)獲取相關(guān)成分的SMILES 格式,未檢索到的化合物通過TCMSP 數(shù)據(jù)庫下載成分的mol2 格式文件,然后轉(zhuǎn)化為SMILES格式文件。通過Swiss target prediction 數(shù)據(jù)庫(http://www.swisstargetprediction.ch/)導(dǎo)入SMILES 文件獲取成分的靶點,取Probability 大于0 的靶點。
以“aging”為檢索詞,分別在GeneCards(https://www. genecards. org/)、OMIM(https://omim. org/)、DiGSeE(http://210.107.182.61/geneSearch/)、HAGR(https://genomics.senescence.info/)數(shù)據(jù)庫中篩選衰老相關(guān)靶點,其中GeneCards 數(shù)據(jù)庫中提取關(guān)聯(lián)性評分大于10 的基因。在Venny 2.1 在線平臺(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)分別錄入黃精與衰老的靶點,繪制韋恩圖,獲取二者的共有靶點。
使用Cytoscape 3.8.2 軟件上傳成分及靶點信息,構(gòu)建“藥物-成分-疾病-靶點”相互作用網(wǎng)絡(luò)圖,使用Network Analyzer 功能以節(jié)點度值(Degree)為拓?fù)渲笜?biāo)進(jìn)行分析。在網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點分別代表藥物、成分、靶點和疾病,邊表示任意兩者之間的互作關(guān)系。
在STRING 在線平臺數(shù)據(jù)庫(https://www.stringdb.org/)中,點擊Multiple proteins 上傳共有靶點,設(shè)置Organism 類型為“Homo sapiens”,選擇交互作用大于0.4 的靶點,下載TSV 格式數(shù)據(jù)文件,導(dǎo)入Cytoscape 3.8.2 軟件中進(jìn)行拓?fù)浞治?,?gòu)建蛋白質(zhì)相互作用(Protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)可視化。
利用DAVID 數(shù)據(jù)庫(https://david.ncifcrf.gov/)進(jìn)行GO 功能與KEGG 通路富集分析,主要由以下4步進(jìn)行。第一步,上傳黃精的有效作用靶點;第二步,Select Identifier 設(shè)置為“OFFICIAL_GENE_SYMBOL”,并限定物種為“Homo Sapiens”;第三步,List Type 設(shè)置為“Gene List”;第四步,提交數(shù)據(jù)獲取結(jié)果。以P<0.01 為閾值進(jìn)行篩選,探討黃精抗衰老的生物學(xué)過程和信號通路。
從PubChem 數(shù)據(jù)庫下載活性成分2D 結(jié)構(gòu)的sdf文件,使用Open Babel 軟件將其轉(zhuǎn)化為mol2 格式。從PDB 數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/)中獲得蛋白受體的3D 結(jié)構(gòu),運用PyMOL 軟件對蛋白去水、去除蛋白結(jié)構(gòu)中小分子配體,保存pdb 文件格式。使用AutoDock 工具將蛋白和活性成分進(jìn)行分子對接,再使用PyMOL 軟件對成分-蛋白對接結(jié)果進(jìn)行可視化分析。結(jié)合自由能小于0,則表明藥物成分的分子和配體受體可以自發(fā)結(jié)合,結(jié)合打分值越低則形成的復(fù)合物越穩(wěn)定。
檢索TCMSP 數(shù)據(jù)庫得到黃精的化學(xué)成分114個,以O(shè)B≥30%和DL≥0.18 作為指標(biāo)共篩選出活性成分12 個,結(jié)果見表1。將各個成分的SMILES 格式導(dǎo)入Swiss target prediction 數(shù)據(jù)中查找成分靶點,取Probability 大于0,合并去重共得到318 個靶點。
續(xù)表1
使用GeneCards、OMIM、DiGSeE、HAGR 數(shù)據(jù)庫篩選衰老靶點,合并去重后共獲得506 個靶點。使用Venny 在線工具對黃精靶點和衰老靶點進(jìn)行交集分析,繪制出韋恩圖,如圖1 所示,二者取匹配后得到黃精和衰老共有靶點81 個。
圖1 黃精和衰老的靶點韋恩圖
將黃精活性成分與共有靶點等信息輸入到Cytoscape 3.8.2 軟件中,繪制“藥物-成分-靶點-疾病”相互作用的網(wǎng)絡(luò),如圖2 所示。共有95 個節(jié)點、302條邊,圖中黃色六邊形代表黃精,綠色正方形代表中藥的核心成分,藍(lán)色圓形代表靶點,紅色菱形代表疾病。對網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行拓?fù)浞治?,degree平均值為6.357 9,其中degree 排名前5 位的成分是黃芩素(degree=31)、4′,5-二羥基黃酮(degree=30)、甘草素(degree=28)、(2R)-7-羥基-2-(4-羥基苯基)-苯并四氫吡喃-4-酮(degree=28)、zhonghualiaoine 1(degree=25),可能是黃精抗衰老的關(guān)鍵活性成分。
在STRING 數(shù)據(jù)庫中錄入黃精和衰老共有靶點,選取置信度>0.4 的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),得到黃精抗衰老的靶點蛋白相互作用信息數(shù)據(jù),導(dǎo)入Cytoscape 3.8.2 軟件中進(jìn)行PPI可視化分析,網(wǎng)絡(luò)中共有81 個節(jié)點,共有910 條邊,degree 平均值為22.469 1,大于平均值靶點的有34 個,結(jié)果如圖3 所示。Degree 排名前5位的靶點是EGFR(degree=60)、VEGFA(degree=57)、HIF1A(degree=51)、ESR1(degree=51)、STAT3(degree=51),其可能在抗衰老中發(fā)揮重要調(diào)控作用。
利用DAVID 數(shù)據(jù)庫對篩選的基因進(jìn)行GO 功能富集分析(P<0.01),結(jié)果共有227 條生物學(xué)過程,其中生物過程(BP)164 條,主要涉及蛋白質(zhì)自磷酸化、細(xì)胞增殖的正調(diào)控、基因表達(dá)的正調(diào)控、凋亡過程的負(fù)調(diào)控、蛋白質(zhì)磷酸化等;細(xì)胞組分表達(dá)過程(CC)25 條,主要涉及核質(zhì)、胞漿、受體復(fù)合物、小窩、線粒體等;分子功能相關(guān)的過程(MF)38 條,主要涉及酶結(jié)合、ATP 結(jié)合、蛋白酪氨酸激酶活性、激酶活性、蛋白質(zhì)結(jié)合等。分別選取BP、CC、MF 的前10 個條目進(jìn)行氣泡圖展示,結(jié)果見圖4,其中橫軸為富集因子,縱軸為GO 功能名稱,表明黃精可以通過參與調(diào)控多種生物學(xué)過程而發(fā)揮抗衰老作用。
圖4 黃精抗衰老的GO 功能富集分析
對篩選的基因進(jìn)行KEGG 通路富集分析(P<0.01),共獲得79 條信號通路,主要涉及癌癥途徑(30個靶點)、癌癥中的蛋白多糖(21 個靶點)、HIF-1 信號通路(15 個靶點)、Ras 信號通路(20 個靶點)、癌癥的中樞碳代謝(13 個靶點)、PI3K-Akt 信號通路(23個靶點)、FoxO 信號通路(16 個靶點)、Rap1 信號通路(18 個靶點)、催乳素信號通路(12 個靶點)、ErbB信號通路(12 個靶點)、胰島素信號通路(14 個靶點)等。選擇前20 條進(jìn)行氣泡圖展示,結(jié)果如圖5 所示,其中橫軸為富集因子,縱軸為通路名稱,表明黃精的有效成分和抗衰老靶點可能分布于不同的通路中,可通過多種通路達(dá)到抗衰老的作用。
圖5 黃精抗衰老的KEGG 通路富集分析
從PDB 數(shù)據(jù)庫中篩選受體EGFR、VEGFA、HIF1A、ESR1、STAT3 的蛋白三維結(jié)構(gòu),將其分別與配體黃芩素(C4)、4′,5 -二羥基黃酮(C1)、甘草素(C2)、(2R)-7-羥基-2-(4-羥基苯基)-苯并四氫吡喃-4-酮(C3)、zhonghualiaoine 1(C11)在AutoDock中進(jìn)行分子對接,結(jié)合能小于-20.93 kJ/mol 表示可以形成穩(wěn)定的對接結(jié)構(gòu)[14],5 個活性成分與5 個靶點之間均能產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)合,對接結(jié)合能見圖6。受體ESR1 與配體的結(jié)合能均小于-20.93 kJ/mol,使用PyMOL 軟件進(jìn)行可視化分析,結(jié)果顯示,ESR1 與C4通過氨基酸殘基ALA318、ASP321、ARG363 產(chǎn)生6個氫鍵作用,與C1 通過氨基酸殘基GLY521、LEU387 產(chǎn)生2 個氫鍵作用,與C2 通過氨基酸殘基GLU353、ARG394 產(chǎn)生2 個氫鍵作用,與C3 通過氨基酸殘基GLY521 產(chǎn)生1 個氫鍵作用,與C11 通過氨基酸殘基HIS305 產(chǎn)生3 個氫鍵作用(圖7)。
圖6 對接結(jié)合能熱圖
圖7 分子對接圖
衰老是生理功能不可逆轉(zhuǎn)地逐漸衰退,表現(xiàn)出抵抗感染的能力下降、對疫苗的反應(yīng)減弱、癌癥發(fā)病率增加、自身免疫和結(jié)構(gòu)性低度炎癥的發(fā)病率升高等,會引起各種癌癥、心血管疾病、代謝性疾病等諸多與年齡相關(guān)的疾病,從而給家庭和整個社會帶來了沉重的心理和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[15]。因此,尋找抗衰老藥物對延緩生理性衰老和治療衰老相關(guān)疾病都至關(guān)重要。中醫(yī)藥干預(yù)衰老以整體觀念、辨證論治為特點,在延緩衰老方面作用明顯?!侗阕印分杏涊d黃精“得坤土之氣,獲天地之精”,被美譽為“仙人余糧”,《本草綱目》稱黃精“補諸虛、填精髓,平補氣血而潤”。黃精對肺、脾、腎都能補益,藥用食用均可以防衰延年?,F(xiàn)代藥理研究也表明黃精具有良好的延緩衰老等藥理作用,但其化學(xué)成分復(fù)雜,治療衰老分子機制尚未明確,本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)對黃精治療衰老的機制進(jìn)行分析,并利用分子對接技術(shù)進(jìn)行驗證。
以生物利用度和類藥性為考察指標(biāo),從黃精中篩選出黃芩素、4′,5-二羥基黃酮、甘草素、(2R)-7-羥基-2-(4-羥基苯基)-苯并四氫吡喃-4-酮、zhonghualiaoine 1 等活性成分。其中,黃芩素屬于黃酮類活性成分,能夠有效清除自由基,起到抗氧化劑作用,并應(yīng)用于治療與氧化應(yīng)激相關(guān)的多種疾病,可以通過降低果蠅體內(nèi)活性氧、丙二醛、氧化型谷胱甘肽等3 種物質(zhì)的含量,減輕氧化應(yīng)激水平,從而延長果蠅壽命[16];可以通過調(diào)控氨基酸代謝、核苷酸代謝和糖代謝等途徑延緩大鼠衰老[17];可以提高衰老大鼠心肌抗氧化能力,抑制其下游p53/p21Cip1/Waf1信號通路,延緩成年SD 大鼠的心肌衰老[18];可以顯著抑制SAMP8 小鼠大腦皮層中IL-6、IL-1β、TNF-α 等促炎細(xì)胞因子的釋放,明顯改變6 個菌屬的豐度,通過抑制皮層促炎細(xì)胞因子和調(diào)節(jié)腸道菌群,改善小鼠的衰老狀態(tài)和認(rèn)知功能[19];可以通過抑制SASP,抑制JAK2/STAT1/NF-κB 通路和調(diào)節(jié)亮氨酸代謝,在H2O2誘導(dǎo)的衰老星形膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)揮保護(hù)和抗衰老作用[20]。甘草素屬于雙氫黃酮類成分,具有抗炎、抗氧化以及神經(jīng)保護(hù)作用,能夠改善學(xué)習(xí)記憶功能,有助于延緩衰老。生物體內(nèi)自由基過量累積會加速機體老化,甘草素可以通過抽氫反應(yīng)捕獲體內(nèi)·OH、·OOH 和·OOCl3C 3 種活性氧自由基,發(fā)揮清除自由基作用[21]。甘草素還具有雌激素樣作用,通過上調(diào)ERβ 水平,對抗Aβ 毒副作用,可以消除去卵巢APP/PS1 雙轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)老年斑[22]。
經(jīng)黃精和衰老共有靶點交集篩選出EGFR、VEGFA、HIF1A、ESR1、STAT3 等靶點。其中表皮生長因子(EGF)是EGFR 最重要的配體之一,影響細(xì)胞的增殖、分化等過程,以EGF 激活EGFR 能夠誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[23]。血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)參與血管生成,在控制血管通透性、維持心血管活性及微血管密度等方面發(fā)揮重要的作用。通過基因手段保持循環(huán)中的VEGF 水平能夠維持衰老過程中的血管穩(wěn)態(tài),提供全面的衰老保護(hù),減輕各種年齡相關(guān)疾病,例如年齡相關(guān)的體重增加、肝脂肪變性、骨質(zhì)疏松、炎癥和腫瘤。提升小鼠體內(nèi)VEGF 水平,能夠顯著延長小鼠壽命,雄性小鼠延壽48%、雌性小鼠延壽39%[24]。缺氧誘導(dǎo)因子1A(HIF1A/HIF1α)信號在急性缺氧應(yīng)激中,對維持細(xì)胞存活具有非常重要的意義。長期慢性的缺氧以及病理性應(yīng)激條件下,HIF-1α 信號會通過誘導(dǎo)組蛋白賴氨酸去甲基化酶來破壞染色質(zhì)的穩(wěn)定性,從而引起細(xì)胞衰老和組織纖維化。同時,細(xì)胞衰老提供的炎性微環(huán)境又會進(jìn)一步刺激HIF-1α 誘導(dǎo)的組蛋白賴氨酸去甲基化酶的表達(dá),從而陷入一個惡性循環(huán)[25]。雌激素受體α(ESRα)參與衰老過程中的生物過程,有助于維持心血管、代謝、認(rèn)知、下丘腦和邊緣功能等生物功能,ERα 基因(ESR1)的DNA 甲基化變化在調(diào)節(jié)ERα 水平中起直接作用,老年女性E2 水平下降與ESR1 基因CpGI 低甲基化的降低有關(guān)[26]。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活子3(STAT3)作為JAK/STATs 通路的重要成員,廣泛參與免疫調(diào)節(jié)、衰老等過程。研究發(fā)現(xiàn),STAT3通路及自噬激活參與血管緊張素II誘導(dǎo)的小鼠腎小管上皮細(xì)胞衰老過程,氯沙坦作用可抑制STAT3 的激活、抑制自噬過度激活并延緩小鼠腎小管上皮細(xì)胞衰老[27]。
經(jīng)GO 功能分析獲取蛋白質(zhì)自磷酸化、細(xì)胞增殖的正調(diào)控、基因表達(dá)的正調(diào)控等生物學(xué)過程。經(jīng)KEGG 通路分析獲取癌癥途徑、癌癥中的蛋白多糖、HIF-1、Ras、癌癥的中樞碳代謝、PI3K-Akt、FoxO、Rap1 等信號通路。其中,HIF-1 在機體對低氧濃度或缺氧應(yīng)答中至關(guān)重要,能夠激活多種靶基因的轉(zhuǎn)錄,調(diào)控生長發(fā)育、生理應(yīng)激及病理狀態(tài)過程,可以通過發(fā)揮抗衰老功能,延長maa-1 缺陷蠕蟲的壽命[28]。Ras 通過下游通路激活p53 從而誘導(dǎo)衰老,通過非依賴p53 的途徑產(chǎn)生OIS,同時可以通過失活C/EBPβ 逃逸衰老,K-Ras 也可以通過抑制p53 的活性逃逸衰老[29]。PI3K-Akt 信號通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡等過程,激活PI3K-Akt 通路可以促進(jìn)細(xì)胞系的生長和增殖,同時AKT 表達(dá)水平的升高可以保護(hù)細(xì)胞對抗衰老和凋亡。研究發(fā)現(xiàn),胰島素樣生長因子1(IGF-1)經(jīng)PI3K-Akt 通路調(diào)控2 型糖尿病患者骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衰老及成骨分化[30];外源性硫化氫可以激活PI3K/Akt/eNOS 信號通路,改善H2O2誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞衰老[31]。哺乳動物的FoxO 家族包括FoxO1、FoxO3a、FoxO4 和FoxO6,其中FoxO1 參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激機體能量代謝及眾多生物學(xué)過程,miR-96-5p 可通過負(fù)調(diào)控FoxO1 調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的衰老、凋亡和成骨分化,從而影響成骨細(xì)胞的衰老過程[32]。FoxO3a 變異與許多種群的壽命有關(guān),在皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞及成纖維細(xì)胞中均可表達(dá),是PI3K/AKT 通路的關(guān)鍵靶點,PI3K/Akt/FoxO3a 通路激活可以逆轉(zhuǎn)TNF-α 引起的GNRH1 基因抑制和NF-κB 激活,有助于防止衰老相關(guān)的下丘腦GnRH 釋放減少[33]。FoxO4 是胰島素/胰島素樣生長因子信號通路的靶點和活性氧的調(diào)節(jié)因子,與細(xì)胞衰老和組織穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)。靶向抑制FoxO4 的表達(dá)可有效延緩人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老[34]。調(diào)控蛋白Rap1 與衰老密切相關(guān),Rap1缺陷會加劇端粒磨損,通過激活p53,從而抑制PPARα 的表達(dá),小鼠心臟出現(xiàn)衰老相關(guān)表型以及脂肪酸代謝降低,Rap1/p53/PPARα 信號可能是預(yù)防/減輕心臟衰老的治療靶點[35]。在低劑量化療藥物誘導(dǎo)的胃癌細(xì)胞衰老過程中,可見Rap1 表達(dá)升高,且促進(jìn)了SASP 相關(guān)因子的表達(dá)[36]。最后,通過AutoDock 分子對接發(fā)現(xiàn)黃芩素、4′,5-二羥基黃酮、甘草素、(2R)-7-羥基-2-(4-羥基苯基)-苯并四氫吡喃-4-酮、zhonghualiaoine 1 等成分與EGFR、VEGFA、HIF1A、ESR1、STAT3 等靶點相互作用,表明黃精具有抗衰老的功效。
綜上所述,本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)聯(lián)合分子對接的方法對黃精抗衰老的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機制進(jìn)行探索,從分子水平對其作用機制進(jìn)行系統(tǒng)分析,黃精中黃芩素、4′,5-二羥基黃酮、甘草素等活性成分可以通過多靶點、多途徑抗衰老,從而為其分子機制的深入研究、臨床應(yīng)用以及保健產(chǎn)品開發(fā)研究提供思路。