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医药导报, 2019, 38(11): 1398-1402
doi: 10.3870/j.issn.1004-0781.2019.11.002
基于网络药理学的荜茇降血脂作用机制研究*
Mechanism Study of Hypolipidemic Effects of Piper longum L.Based on Network Pharmacology
蔡淑珍1,, 李建良2, 陈圆3, 萨如拉1, 李志勇4, 图雅5,

摘要:

目的 采用网络药理学方法对荜茇进行分析,探索其有效成分治疗高脂血症的相关靶点和潜在机制。方法 利用中药系统药理学数据库和分析平台(TCMSP)筛选荜茇有效成分;将筛选得到的化合物通过PharmMapper Server 获取有效成分相应的靶蛋白,通过Uniprot得到相关蛋白信息;采用人类孟德尔遗传数据库(OMIM)、Genecards、DiGSeE文本挖掘等查询高脂血症治疗靶点;将预测靶点用Tbtools取交集导入WebGestalt数据库和Metascape进行了基因本体(GO)富集分析功能注释和基因百科全书(KEGG)Pathway通路分析,根据有效成分、相关靶点、作用通路等信息,利用Cytoscape构建药物-靶点-作用通路相互作用网络,从而直观阐述荜茇降血脂作用机制。结果 筛选得到荜茇15个有效成分,收集到31个与高脂血症相关的靶蛋白。GO富集分析与通路注释结果表明,有22条间接或直接与高脂血症相关的通路,其中主要通过与脂质代谢和血小板聚集发挥祛“巴达干”“赫依”及促进“分清别浊”功能治疗高脂血症。结论 荜茇中15个有效成分可能通过调控乙酰胆碱酯酶(ACHE)、胰蛋白酶-1(PRSS1)、三磷腺苷(ATP)依赖性转运酶(ABCB1)等31个靶点,干预磷酸腺苷依赖的蛋白激酶(AMPK)活化蛋白激酶、过氧化物酶体增殖剂激活受体等22条通路发挥降脂作用。

关键词: 荜茇 ; 降血脂作用 ; 网络药理学 ; 作用机制

Abstract:

Objective To explore the candidate targets and potential mechanism of Piper longum L. on treatment of hyperlipidemia,a traditional Mongolian medicine,based on network pharmacology methods. Methods The active ingredients of Piper longum L.were screened by pharmacological analysis of Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform database(TCMSP).The predicted targets of selected compounds were obtained by PharmMapper Server,and protein information of them was obtained by Uniprot.Hyperlipidemia-related targets were obtained by text mining in OMIM database,Genecards and DiGSeE.The GO annotations and KEGG Pathway enrichment of potential targets against hyperlipidemia combining predicted targets and disease targets of hyperlipidemia using Tbtools were analyzed by WebGestalt database and Metascape.The network of interactions between drug, target and pathways was constructed by Cytoscape. Results Fifteen active components of Piper longum L.and 31 target proteins related to hyperlipidemia were collected.GO enrichment analysis and pathway annotation showed that there were 23 pathways related to hyperlipidemia indirectly or directly by the pathways of lipid metabolism and platelet aggregation. Conclusion Fifteen effective components in Piper longum L.have played a role in hypolipidemic effects by regulating 31 targets such as ACHE, PRSS1 and ABCB1, interfering with 22 pathways such as AMPK-activated protein kinase and peroxisome proliferator-activated receptor pathway; this article has provided a theoretical basis for Piper longum L.in further study.

Key words: Piper longum L ; Blood lipid reduction ; Network pharmacology ; Mechanism of action

随着生活水平的提高和饮食结构、生活习惯变化,由高脂血症引发的动脉粥样硬化、心肌梗死、冠心病等心脑血管疾病发生率迅速升高,且有年轻化的趋势,因此人们不得不开始重视高脂血症引起的健康问题[1]。蒙医药作为我国四大少数民族医药之一,是蒙古族人民长期与疾病作斗争的经验总结。蒙药因丰富的药材资源,较少的不良反应,在预防和治疗高脂血症及其引发的各类心血管疾病中有着明确疗效[2]

荜茇为胡椒科植物荜茇(Piper longum L.)的未成熟或成熟果穗,蒙药名为“荜荜灵”,味辛、性温,效腻、锐、轻、燥,具有调理胃火,祛“巴达干”“赫依”,调元,滋补强壮,平喘,祛痰,止痛等功效[3];蒙医临床常用于治疗胃火衰败、不思饮食、消化不良等寒性疾病。荜茇作为蒙医习用药材,在蒙药临床方剂中应用较广泛,约有195个临床常用方剂中含有荜茇[4,5]。现代研究表明,荜茇具有调血脂、抗肿瘤、抗炎、抗菌、抗氧化、保护胃黏膜等药理作用[6,7,8]

近年来,网络药理学提出并用于从系统生物学角度研究并阐释中药药效物质基础及作用机制,为民族药的现代研究提供了示范和启迪。对于民族药的现代研究,应着力于阐释其物质基础,阐明其作用机制,并将承载于民族药上的民族医药理论和经验特征讲清楚[9,10,11,12]。因此,从传统蒙医理论和临床经验出发,运用网络药理学方法阐明荜茇祛“巴达干”“赫依”,及 “分清别浊”功能,进一步揭示其降血脂、干预高脂血症的药效机制,可为后续研究提供一定的理论基础。

1 材料与方法
1.1 材料

中药系统药理学数据库和分析平台(TCMSP,http://ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmsp.php);PharmMapper Server数据库(http://lilab.ecust.edu.cn/pharmmapper/index.php);Uniprot数据库(http://www.uniprot.org/);人类孟德尔遗传数据库(OMIM)(http://www.omim.org/);DiGSeE(http://210.107.182.61/geneSearch);Genecards(http://www.genecards.org/);京都基因与基因组百科全书(KEGG,https://www.kegg.jp/);Metascape(http:metascape.org/gp/index.html)。

1.2 荜茇候选成分的筛选

通过TCMSP数据库查询获得了104种化学成分,按口服生物利用度(oral bioavailability,OB≥30%)和类药性(drug-likeness ,DL≥0.18)筛选出15种符合条件的化合物,将其作为候选化合物,结果见表1。

表1 荜茇候选成分
Tab.1 Candidate ingredients of Piper longum L.
序号 化合物名称 CAS号 口服生物
利用度/%
类药性 靶点数
1 ZINC03996196 16499-02-8 52.35 0.62 12
2 芝麻素 607-80-7 56.55 0.83 14
3 胡椒碱 5950-12-9 30.71 0.18 13
4 哌啉 N/A 51.32 0.41 9
5 脱氢胡椒碱 107584-38-3 47.73 0.41 9
6 N-(2,5-二甲氧基苯基)-4-甲氧基苯甲酰胺 N/A 60.70 0.18 16
7 N-异丁基-2(E),4(E),8(Z)-三烯酰胺 N/A 44.48 0.32 1
8 N-异丁基-2,4-二十二烯酰胺 54794-71-7 38.86 0.32 1
9 胡椒碱 147030-08-8 42.52 0.23 16
10 Pisatin 469-01-2 88.05 0.64 11
11 1,2,5,6-四氢丹参酮 126979-84-8 38.75 0.36 18
12 ZINC03982454 83-46-5 36.91 0.76 1
13 西尔瓦汀 42438-80-2 44.00 0.51 4
14 (E,E,E)-11-(1,3-Benzodioxol-5-yl)-N-(2- 54794-74-0 42.72 0.43 8
methylpropyl)-2,4,10-undecatrienenamide
15 1-[1-oxo-9(3,4-methylenedioxyphenyl)-2E,8E- N/A 49.43 0.36 4
nonadienyl] pyrrolidine

表1 荜茇候选成分

Tab.1 Candidate ingredients of Piper longum L.

1.3 潜在靶点预测与查询

根据所获得的有效成分,从PharmMapper Server 数据库获取Fit Score ≥3.0的靶点,并从Uniprot数据库获得靶蛋白相关信息,该数据库包含全面的蛋白质信息,包括蛋白质名称以及对应的标准基因名称,可用于蛋白名(protein ID)和基因名(gene ID)的转化。

1.4 药物对应疾病信息查询

采用OMIM数据库、DiGSeE文本挖掘、Genecards以“Hyperlipidemia”为关键词进行检索,获取靶蛋白进行筛选,得到候选药物治疗高脂血症的相关靶蛋白,将药物靶点与疾病靶点通过Tbtools取交集。

1.5 基因本体(GO)富集分析与通路注释

将预测得到的靶点利用Tbtools取交集,之后将得到的靶标蛋白导入到WebGestalt数据库,进行GO功能注释,再结合Metascape进行KEGG通路分析,通过查阅文献和KEGG数据库得到与荜茇治疗高脂血症相关的通路。

1.6 药物-靶点-作用通路的网络构建

根据候选药物、相关靶点及通路信息,采用Cystoscope 3.2.1进行网络构建、分析和可视化。运用Cytoscape软件的Merge插件建立荜茇有效成分治疗高脂血症的“候选药物-靶点-作用通路”网络图。

2 结果
2.1 候选化合物预测潜在靶点相关信息

通过TCMSP数据库结合文献查询,获得104种化学成分,并通过OB≥30%和DL≥0.18两个关键参数,筛选出荜茇中15种具有良好OB和DL性的化合物,见表1。

利用OMIM数据库、DiGSeE文本挖掘、Genecards查询候选药物治疗高脂血症的相关靶蛋白信息,将药物靶点与疾病靶点通过Tbtools取交集,得到与高脂血症相关的31个靶点,相关信息见表2。

表2 荜茇抗高脂血症的相关靶点
Tab.2 Target information of Piper longum L. against hyperlipidemia
序号 基因 ID 蛋白 ID Uniprot 序号 基因 ID 蛋白 ID Uniprot
1 ACHE 乙酰胆碱酯酶 P22303 18 PTPN1 酪氨酸蛋白磷酸酶非受体1型 P18031
2 PRSS1 胰蛋白酶-1 P07477 19 G6PD 葡萄糖-6-磷酸1-脱氢酶 P11413
3 ABCB1 多药耐药蛋白1 P08183 20 NOS2 诱导型一氧化氮合酶 P35228
4 ECE1 内皮素转换酶1 P42892 21 NOS3 内皮一氧化氮合酶 P29474
5 ADRB1 β-1肾上腺素能受体 P08588 22 F2 凝血酶原,第二因子 P00734
6 HTR2A 5-羟色胺受体2A P28223 23 MAPK14 丝裂原活化蛋白激酶14 Q16539
7 ADRB2 β2肾上腺素能受体 P07550 24 ESR2 雌激素受体β Q92731
8 PTGS2 前列腺素G/H合成酶2 P35354 25 CCNA2 细胞周期蛋白A P20248
9 ACACA 乙酰辅酶A羧化酶1 Q13085 26 IL-6 白细胞介素-6 P05231
10 SLC6A3 钠依赖性多巴胺转运蛋白 Q01959 27 SOAT1 甾醇O-酰基转移酶1 P35610
11 PTGS1 前列腺素G/H合成酶1 P23219 28 ACOX1 过氧化物酶体酰基辅酶A氧 Q15067
12 SLC6A4 钠依赖性5-羟色胺转运体 SLC6A4 化酶1
13 DPP4 二肽基肽酶4 P27487 29 IL-1β 白细胞介素1β P01584
14 RXRA 维甲酸受体RXR-α P19793 30 PPARG 过氧化物酶体增殖物激活受体 P37231
15 CA2 碳酸酐酶II P00918 γ
16 SCN5A 钠通道蛋白5型亚基α Q14524 31 PGR 孕激素受体 P06401
17 DECR1 2,4-二烯酰辅酶A还原酶,线 Q16698
粒体

表2 荜茇抗高脂血症的相关靶点

Tab.2 Target information of Piper longum L. against hyperlipidemia

结合表1和表2信息,荜茇有效成分既可作用于相同靶点也可作用于不同的靶点,说明蒙药多成分、多靶点、协同增效的作用机制。

2.2 GO富集分析与通路注释

运用WebGestalt数据库进行GO功能注释和Pathway通路分析。GO功能注释是通过生物过程(biological processes,BP)、分子功能(molecular function,MF)和细胞组分(cell components,CC)对基因进行注释和分类。GO功能注释见图1,在分子功能中蛋白结合、分子作用、分子传感器活性影响相对靠前,在生物过程中代谢过程、生物调节、多细胞生物所占比例高,在细胞组分中细胞膜、囊泡、细胞核相关性最大。为进一步明确核心关键靶标的生物学功能,通过Metascape数据库对关键核心靶点进行通路富集分析,选取差异有统计学意义(P<0.05) 的所有通路,得到22条间接或直接与高脂血症相关的通路,见表3。其中与脂质代谢相关的通路:磷酸腺苷依赖的蛋白激酶(AMPK)、调节脂肪细胞中的脂肪分解(regulation of lipolysis in adipocytes)、过氧化物酶体增殖剂激活受体(PPAR signaling pathway,PPARs);血小板相关的通路:血小板激活(platelet activation);信号转导相关的通路:钙信号通路(calcium signaling pathway)、cGMP-PKG信号通路(cGMP-PKG signaling pathway)、cAMP信号通路(cAMP signaling pathway)、HIF-1信号通路(HIF-1 signaling pathway)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF);心血管病相关的通路:心肌细胞肾上腺素能信号传导 (adrenergic signaling in cardiomyocytes);信号分子相互作用有关的通路:神经活性配体-受体相互作用(neuroactive ligand-receptor interaction)、神经递质相关5-羟色胺能突触(werotonergic synapse);内分泌相关的通路:胰岛素抵抗(insulin resistance);炎症相关的通路:白细胞介素17(interleukin 17,IL-17)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)、NOD样受体(NOD-like receptor,NLR)、瞬时受体电位通道(transient receptor potential channel,TRP)的炎症递质调节;糖尿病相关的通路:糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路(AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications);自身免疫相关的通路:Th17细胞分化(th17 cell differentiation);动脉粥样硬化相关的通路:流体剪切应力和动脉粥样硬化(fluid shear stress and atherosclerosis);肝病相关的通路:非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)。

表3 荜茇抗高脂血症相关靶点的KEGG 通路富集分析
Tab.3 Enrichment analysis for KEGG pathways of the targets of Piper longum L. against hyperlipidemia
通路 通路ID 靶点 频次
AMPK信号通路 has04152 ACACA,CCNA2,
PPARG 3
钙信号通路 has04020 ADRB1,ADRB2, 5
HTR2A,NOS2,NOS3
脂肪细胞的脂解调节 has04923 ADRB1,ADRB2, 4
PTGS1,PTGS2
神经活性配体-受体相互作 has04080 ADRB1,ADRB2,F2, 5
HTR2A,PRSS1
心肌细胞中的肾上腺素能信 has04261 ADRB1,ADRB2, 4
号转导 MAPK14,SCN5A
cGMP-PKG信号通路 has04022 ADRB1,ADRB2,NOS3 3
cAMP信号通路 has04024 ACOX1,ADRB1, 3
ADRB2
5-羟色胺能突触 has04726 HTR2A,PTGS1, 4
PTGS2,SLC6A4
HIF-1信号通路 has04066 IL-6,NOS2,NOS3 3
胰岛素抵抗 has04931 IL-6,NOS3,PTPN1 3
VEGF信号通路 has04370 MAPK14,NOS3,PTGS2 3
IL-17信号通路 has04657 MAPK14,IL-1B,IL-6, 4
PTGS2
AGE-RAGE信号通路在糖 has04933 MAPK14,IL-1B,IL-6, 4
尿病并发症中的作用 NOS3
Th17细胞分化 has04659 MAPK14,IL-1B,IL-6, 4
RXRA
TNF信号通路 has04668 MAPK14,IL-1B,IL-6, 4
PTGS2
Toll样受体信号通路 has04620 MAPK14,IL-1B,IL-6 3
流体剪应力与动脉粥样硬化 has05418 MAPK14,IL-1B,NOS3 3
非酒精性脂肪性肝病 has04932 IL-1B,IL-6,RXRA 3
(NAFLD)
NOD样受体信号通路 has04621 MAPK14,IL-1B,IL-6 3
TRP通道的炎症递质调节 has04750 MAPK14,HTR2A,IL-1B 3
PPAR信号通路 has03320 ACOX1,PPARG,RXRA 3
血小板活化 has04611 MAPK14,NOS3,PTGS1 3

表3 荜茇抗高脂血症相关靶点的KEGG 通路富集分析

Tab.3 Enrichment analysis for KEGG pathways of the targets of Piper longum L. against hyperlipidemia

图1 荜茇抗高脂血症相关靶蛋白GO注释功能富集分析
A.分子功能分析;B.生物过程分析;C.细胞组分分析。

Fig.1 GO annotation enrichment analysis on the related target proteins of Piper longum L. against hyperlipidemia
A.molecular function analysis;B.biological processe analysis;C.cell component analysis.

2.3 药物-靶点-作用通路相互作用的网络构建

采用Cytoscape软件构建荜茇治疗高脂血症的“有效成分-靶点-作用通路”网络,见图2,以不同颜色节点(node)分别表示活性成分、潜在作用靶点及作用通路,边(edge)代表活性成分、潜在靶点及作用通路之间的相互关系,图2可见荜茇15个有效成分直接或间接作用于31个靶点,由此可知荜茇多成分、多靶点、多通路治疗高脂血症的特点。其中主要通过干预AMPK、PPAR等主要通路来达到降脂作用。

图2 药物-靶点-作用通路相互作用网络图

Fig.2 Network of compounds-targets-pathways for Piper longum L. against hyperlipidemia

3 讨论

蒙医学以 “三根学说”为理论基础,即“赫依”“希拉”“巴达干”三大元素在保持相对平衡时,机体处于健康稳定状态。若因节气、起居、饮食、行为、情志和外伤等外缘使“三根”“七素”和“三种秽物”协调被打乱,就会产生疾病[13]。传统蒙医认为,当饮食及外界因素之油腻及湿重成分过甚,导致胃之分清食物精浊的功能失调,肝分清血之清浊功能亦随之失调,清浊未分离,导致血中“清浊”失调[14]。现代医学指出,高脂血症是由于外源性脂质或其他物质摄取增加,内源性脂质合成增加,以及脂质转运或分解代谢异常。蒙医与西医关于高脂血症的成因观点类似[15]。蒙医认为,荜茇能够调理胃火,祛“巴达干”“赫依”,促进 “分清别浊”功能,进一步调理由其功能失常所致“血不能分清浊”。

采用网络药理学,通过口服生物利用度和类药性两个关键参数筛选出15种有效成分,其中主要涉及酰胺类生物碱和挥发油类成分,其中胡椒碱(piperine)、荜茇宁(piperlonguminine)等在文献中明确记载能够治疗高脂血症。包兰兰等[16]研究胡椒碱对大白鼠血脂水平的影响。结果表明,胡椒碱可显著降低血清总胆固醇(TC),对血清三酰甘油有一定的降低作用。BAO等[17]研究发现,荜茇宁通过调节肝脂肪代谢过程,可显著降低高脂血症大鼠血清三酰甘油,升高高密度脂蛋白胆固醇。其机制可能与上调羟甲基戊二酰辅酶A (hydroxy methylglutaryl coenzyme A reductase inhibitor HMG -CoA)、胆固醇7α-羟化酶(cholesterol 7α-hydroxylase, CYP7A1)、卵磷脂胆固醇脂酰基转移酶(lecithin-cholesterolacyltransferase,LCAT)、低密度脂蛋白受体(LDLR) 的mRNA及蛋白表达有关。

笔者通过有效成分得到荜茇治疗高脂血症相关的31个靶点,采用WebGestalt数据库和Metascape进行GO功能注释和Pathway通路富集分析,获得22条间接或直接与治疗高脂血症相关的通路。通过构建荜茇治疗高脂血症的“有效成分-靶点-作用通路”网络图,分析其中包括与脂质代谢相关、血小板聚集相关的通路为主要通路,从侧面说明了荜茇“分清别浊”功能可能通过主要成分与上述靶点相互作用,进而调控与脂质代谢和血小板聚集相关通路来实现,但进一步作用机制有待后续研究进一步说明。

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[本文引用:1]
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