目的探究胃宁颗粒治疗胃癌的物质基础及作用机制。方法利用CCK-8及transwell实验检测胃宁颗粒对胃癌细胞增殖及迁移的影响;通过液相色谱–质谱联用及蛋白质组技术分别获得胃宁颗粒活性成分及差异表达蛋白;通过网络药理学及Cytoscape 3.9.1软件构建胃宁颗粒活性成分–靶点–胃癌网络;利用GO/KEGG开展富集分析;利用分子对接阐明关键核心靶点与活性成分的相互作用。结果共筛选出胃宁颗粒治疗胃癌有效成分23个,作用靶点19个;PI3K-Akt及凋亡通路可能是胃宁颗粒治疗胃癌的主要作用通路;VEGFA、BCL2L1及CDK4可能是胃宁颗粒治疗胃癌的关键靶点。结论刺芒柄花素、槲皮素、莪术二酮可能是胃宁颗粒治疗胃癌的物质基础,与调控VEGFA、BCL2L1及CDK4信号通路有关。 Objective to explore the material basis and mechanism of Weining Granules in the treatment of gastric cancer. Methods cell viability and migration were detected via CCK-8 and transwell assays. The active compounds and differentially expressed proteins of WNG were obtained by liquid chro-matography-mass spectrometry and proteomics techniques, respectively. The active ingredi-ent-target-gastric cancer network was constructed by using Cytoscape 3.9.1 software. GO/KEGG En-richment analysis was performed to predict the signaling pathway. Key core targets were revealed through PPI (Protein protein interaction). The interactions between key core targets and active in-gredients were explored by molecular docking. Results A total of 23 effective compounds and 19 targets of WNG were identified against gastric cancer. KEGG pathway analysis found that PI3K-Akt and apoptosis pathway may be the main therapeutic pathways of WNG against gastric cancer. The PPI action network and bioinformatics analysis reveal that VEGFA, BCL2L1, and CDK4 are key ther-apeutic targets for gastric cancer. Conclusion formononetin, quercetin, and curdione may be the main material basis of WNG in the treatment of gastric cancer, which is related to the regulation of VEGFA, BCL2L1, and CDK4 signaling pathways.
目的探究胃宁颗粒治疗胃癌的物质基础及作用机制。方法利用CCK-8及transwell实验检测胃宁颗粒对胃癌细胞增殖及迁移的影响;通过液相色谱–质谱联用及蛋白质组技术分别获得胃宁颗粒活性成分及差异表达蛋白;通过网络药理学及Cytoscape 3.9.1软件构建胃宁颗粒活性成分–靶点–胃癌网络;利用GO/KEGG开展富集分析;利用分子对接阐明关键核心靶点与活性成分的相互作用。结果共筛选出胃宁颗粒治疗胃癌有效成分23个,作用靶点19个;PI3K-Akt及凋亡通路可能是胃宁颗粒治疗胃癌的主要作用通路;VEGFA、BCL2L1及CDK4可能是胃宁颗粒治疗胃癌的关键靶点。结论刺芒柄花素、槲皮素、莪术二酮可能是胃宁颗粒治疗胃癌的物质基础,与调控VEGFA、BCL2L1及CDK4信号通路有关。
胃宁颗粒,胃癌,网络药理学,分子对接,作用机制
Guiyu Zhao1*, Yiwen Qin1, Wenjuan Dai1, Guangling Chen1, Lichuan Wu1, Jinrui Wei2#
1School of Medicine, Guangxi University, Nanning Guangxi
2Guangxi Scientific Research Center of Traditional Chinese Medicine, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning Guangxi
Received: Feb. 9th, 2024; accepted: Mar. 8th, 2024; published: Mar. 15th, 2024
Objective to explore the material basis and mechanism of Weining Granules in the treatment of gastric cancer. Methods cell viability and migration were detected via CCK-8 and transwell assays. The active compounds and differentially expressed proteins of WNG were obtained by liquid chromatography-mass spectrometry and proteomics techniques, respectively. The active ingredient-target-gastric cancer network was constructed by using Cytoscape 3.9.1 software. GO/KEGG Enrichment analysis was performed to predict the signaling pathway. Key core targets were revealed through PPI (Protein protein interaction). The interactions between key core targets and active ingredients were explored by molecular docking. Results A total of 23 effective compounds and 19 targets of WNG were identified against gastric cancer. KEGG pathway analysis found that PI3K-Akt and apoptosis pathway may be the main therapeutic pathways of WNG against gastric cancer. The PPI action network and bioinformatics analysis reveal that VEGFA, BCL2L1, and CDK4 are key therapeutic targets for gastric cancer. Conclusion formononetin, quercetin, and curdione may be the main material basis of WNG in the treatment of gastric cancer, which is related to the regulation of VEGFA, BCL2L1, and CDK4 signaling pathways.
Keywords:Weining Granules, Gastric Cancer, Network Pharmacology, Molecular Docking, Mechanism
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胃癌是常见的癌症之一。世界卫生组织数据显示,2020年全球新发胃癌病例108.9万例,占全球新发癌症病例的5.6%;死亡病例76.9万例,占死亡病例的7.7%。中国胃癌病例47.8万例,死亡37.4万例,分别占全球胃癌病例和死亡人数的43.94%和48.62% [
中医药作为我国国粹,因其具有“高效、低毒、多靶点、低成本”等优势,被广泛应用于各种肿瘤的治疗 [
网络药理学的概念由英国安德鲁·霍普金斯教授于2007年首次提出 [
本课题组前期通过色谱–质谱联用技术获得胃宁颗粒主要活性成分23个 [
本论文使用的胃癌细胞SGC-7901购自于中国科学院细胞库,并培养在含10%胎牛血清及100 U/ml的青霉素及链霉素的DMEM培养基中。使用浓度为0.1 g/ml的胃宁颗粒处理SGC-7901细胞48小时,获取细胞总蛋白后采用TMT标记定量蛋白质组学揭示胃宁颗粒导致的蛋白表达谱变化。随后,以表达倍数|Fold Change| ≥ 1.2,P < 0.05为筛选标准获得胃宁颗粒调控的差异表达蛋白。
首先,将化合物预测靶点和差异表达蛋白导入Venny 2.1.0 (http://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)绘制韦恩图,筛选出交集靶点蛋白。其次,将交集靶点蛋白导入Metascape平台(https://metascape.org/gp/index.html),以P < 0.01为筛选标准,分别进行GO (gene ontology)生物功能分析和KEGG (kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路富集分析,其中GO功能分析包括生物过程(biological process, BP)、分子功能(molecular function, MF)及细胞组成(cellular component, CC),将获得的数据结果应用于微生信平台(http://www.bioinformatics.com.cn)绘制GO功能分析柱状图和KEGG通路富集分析条形图。
将收集并归类好的主要活性成分、交集靶点和信号通路导入至Cytoscape 3.9.1中,构建“胃宁颗粒–成分–靶点–通路–胃癌”网络,再利用CytoHubba插件工具对成分节点进行拓扑分析,计算出相关参数,以介数中心性(Betweenness Centrality)、接近中心性(Closeness Centrality)、度值(Degree)三类参数同时大于平均值为标准筛选核心成分。
将交集靶点蛋白输入String (http://string-db.org/)数据库,将物种设置为人(Homo sapiens),置信度设置为“0.4”。取蛋白间的相互作用信息,构建蛋白–蛋白互作(protein-protein interaction, PPI)网络图,导出图片为TSV格式并导入Cytoscape 3.9.1软件,利用cytoHubba插件工具对其进行拓扑参数分析,选择介数中心性、接近中心性、度值三类参数同时大于平均值的靶点作为核心靶点。
从TCGA数据库中下载并整理TPM格式的胃腺癌RNAseq数据及胃癌病人临床信息。去重复后,使用R (4.2.1)的“stats”包进行差异统计分析,并使用“ggplot2”包对结果进行可视化。使用R (4.2.1)的“survminer”包进行生成分析。通过运行R (4.2.1)的“pROC”开展ROC分析。
首先从PDB数据库(https://www.rcsb.org/)中获取核心靶点的分子结构,利用Pymol软件对结构去水、去配体后保存数据;从Pubchem数据库中获取核心成分的3D结构,利用Open Babel 3.1.1软件将SDF格式转化为mol2格式。将准备好的靶点蛋白与化合物结构导入Auto Dock Tools 1.5.7中进行加氢、设置扭转键等操作最后转化为PDBQT的格式保存,将受体和配体的PDBQT文件导入Auto Dock Tools 1.5.7进行分子对接。取分子对接结合能最低的结合模型导入Pymol中进行可视化。
取对数生长期的SGC-7901细胞按5000/孔种植于96孔板,24小时后加入不同浓度WNG处理48小时。随后每孔加入10微升CCK-8溶液,继续培养2小时后测量450 nm处吸光值。Transwell小室(ECM550,Chemicon, USA)事先用无血清培养基水化至少1小时。将不同处理细胞(5 × 104个细胞)接种到每个小室(上室)中。将含有10% FBS的DMEM培养基加载到底部室中。24小时后,取出插入膜上表面的细胞,同时用甲醇固定下表面的细胞、用结晶紫染色并通过显微镜计数。
为了检测胃宁颗粒对胃癌细胞增殖及迁移的影响,我们开展了CCK-8及transwell实验。结果显示,胃宁颗粒剂量依赖性地抑制胃癌细胞增殖(图1(A))。Transwell结果提示胃宁颗粒显著抑制胃癌细胞的迁移(图1(B))。
图1. 胃宁颗粒剂量依赖性抑制胃癌细胞增殖与迁移。(A) 细胞增殖曲线图;(B) 细胞迁移结果及统计
借助色谱–质谱联用技术,通过比对目标化合物与数据库中化合物的片段模式,利用SCIEX OSV1.4软件我们从胃宁颗粒中共鉴定出23个主要活性成分,将活性成分导入Swiss Target Prediction数据库中进行靶点预测,以置信度probability > 0为阈值筛选得到437个成分相关靶点,其中甜菜碱(Betaine)无符合阈值条件的相关靶点,故胃宁颗粒中实含22个有效成分。
编号 | 化合物 | 分子式 | 相对分子质量 |
---|---|---|---|
1 | 柠檬酸 | C6H8O7 | 192.12 |
2 | 甜菜碱 | C5H11NO2 | 117.15 |
3 | 毛蕊异黄酮 | C16H12O5 | 284.26 |
4 | 毛蕊异黄酮苷 | C22H22O10 | 446.40 |
5 | 薯蓣皂c素 | C27H42O3 | 414.62 |
6 | 刺芒柄花 | C16H12O4 | 268.27 |
7 | 莪术醇 | C15H22O2 | 234.33 |
8 | 茯苓酸B | C30H44O5 | 484.68 |
9 | 芒柄花苷 | C22H22O9 | 430.41 |
10 | 莪术二酮 | C15H24O2 | 236.35 |
11 | 腺苷 | C10H13N5O4 | 267.24 |
12 | 黄芪皂苷I | C45H72O16 | 869.04 |
13 | 秦皮甲 | C15H16O9 | 340.28 |
14 | 黄芪异黄烷苷 | C23H28O10 | 464.47 |
15 | 松脂素单甲基醚-D-葡萄糖苷 (松脂醇-4-O-BETA-D-吡喃葡萄糖苷) | C26H32O11 | 520.53 |
16 | 双羟香豆 | C19H12O6 | 336.29 |
17 | 黄芪皂苷Ⅱ | C43H70O15 | 827.01 |
18 | 羟基番茄胺 | C27H45NO3 | 431.65 |
19 | 重楼皂苷Ⅶ | C51H84O22 | 1049.20 |
20 | 薯蓣皂苷 | C45H72O16 | 869.04 |
21 | 黄芪甲苷 | C41H68O14 | 784.97 |
22 | 槲皮素 | C15H10O7 | 302.24 |
23 | 重楼皂苷 VI | C39H62O13 | 738.90 |
表1. 胃宁颗粒中的主要活性成分
根据本课题组前期研究 [
图2. 胃宁颗粒诱导的胃癌差异表达蛋白火山图
图3. 药物成分与疾病交集靶点的韦恩图
图4. GO富集分析
图5. KEGG通路富集分析
将预测的成分靶点与差异表达蛋白取交集,共得到19个交集靶点(图3)。将19个交集靶点导入Metascape数据库中进行GO分析和KEGG富集分析(P < 0.01且靶点数 ≥ 3)。GO富集分析结果显示19个靶点共富集出生物学过程(BP) 57条、细胞组分(CC) 13条、分子生物功能(MF) 9条。根据P值筛选出BP、CC和MF各前5条作柱状图,主要涉及对外源性刺激的反应、神经元凋亡过程的调节、细胞分裂、线粒体膜、线粒体包膜等生物学过程(图4)。KEGG通路富集分析获得11个信号通路,主要涉及PI3K-Akt信号通路、癌症途径通路、细胞凋亡通路、类固醇生物合成信号通路及化学致癌通路等等(图5)。
将19个交集靶点、22个有效成分及富集前10的KEGG信号通路导入Cytoscape 3.9.1中,构建“胃宁颗粒–成分–靶点–通路–胃癌”网络(图6)。图中有53个节点,110条边。利用cytoHubba插件工具计算节点拓扑参数,选择介数中心性、接近中心性、度值三类参数同时大于平均值的化学成分作为本次研究的核心成分,即以同时满足betweenness > 0.104,closeness > 0.218,degree > 2.22为阈值筛选出3个核心成分,分别是:槲皮素(Quercetin)、莪术二酮(Curdione)、刺芒柄花素(Formononetin)。
图6. 胃宁颗粒–成分–靶点–通路–胃癌网络图
将交集靶点蛋白输入STRING数据库,构建蛋白–蛋白互作(PPI)网络并利用Cytoscape 3.9.1软件得到可视化的PPI网络(图7)。图中共有17个节点,30条边,网络中节点的颜色越深、形状越大,就代表该靶点的度值越大,在网络中的重要性越高。利用cytoHubba插件计算拓扑参数,以介数中心性、接近中心性、度值三类参数同时大于平均值为阈值,筛选出本次研究的核心靶点(表2)。度值排名前三的核心靶点是:VEGFA、BCL2L1、CDK4。
图7. 交集靶点PPI网络
编号 | 靶点 | 度值 | 介数中心性 | 接近中心性 |
---|---|---|---|---|
1 | VEGFA | 8.0 | 60.066666 | 0.23188406 |
2 | BCL2L1 | 8.0 | 51.933334 | 0.23188406 |
3 | CDK4 | 7.0 | 25.066668 | 0.22535211 |
4 | BIRC5 | 5.0 | 8.533334 | 0.21333334 |
5 | TOP2A | 4.0 | 1.6666666 | 0.2 |
6 | MCL1 | 4.0 | 2.0 | 0.21621622 |
7 | TOP1 | 4.0 | 6.733333 | 0.21621622 |
8 | TK1 | 3.0 | 0.0 | 0.19753087 |
9 | HMOX1 | 3.0 | 24.0 | 0.21052632 |
10 | PLG | 2.0 | 0.0 | 0.2 |
11 | F2 | 2.0 | 0.0 | 0.2 |
12 | FDFT1 | 2.0 | 0.0 | 0.06666667 |
13 | SOAT1 | 2.0 | 0.0 | 0.06666667 |
14 | CYP51A1 | 2.0 | 0.0 | 0.06666667 |
15 | NR3C1 | 2.0 | 0.0 | 0.20512821 |
16 | EPHX1 | 1.0 | 0.0 | 0.18181819 |
17 | PSEN2 | 1.0 | 0.0 | 0.19753087 |
表2. PPI网络蛋白靶点拓扑分析结果
进一步的,我们通过生物信息学评估了排名前3的核心靶点在胃癌发生中的潜在作用。首先,通过差异表达分析发现,与癌旁组织相比,VEGFA、BCL2L1、CDK4皆显著高表达于胃癌组织(图8(A));其高表达与胃癌患者预后不良显著正相关(图8(B));ROC分析结果提示这三个核心基因是胃癌良好的临床预测指标(图8(C))。
图8. 核心基因在胃癌中的表达及预后分析。(A) 差异表达分析;(B) ROC分析;(C) 预后分析
将胃宁颗粒核心成分(莪术二酮、刺芒柄花素、槲皮素)与核心靶点(VEGFA、BCL2L1、CDK4)做分子对接。结果显示:VEGFA、BCL2L1、CDK4分别与莪术二酮、刺芒柄花素、槲皮素对接活性最好(表3、图9)。
核心靶点 | 核心成分 | score |
---|---|---|
Curdione | −7.43 | |
VEGFA | Formononetin | −5.53 |
Quercetin | −4.84 | |
Formononetin | −7.74 | |
BCL2L1 | Quercetin | −6.11 |
Curdione | −5.73 | |
Curdione | −6.62 | |
CDK4 | Quercetin | −6.05 |
Formononetin | −5.1 |
表3. 核心靶点与核心成分的分子对接分数
图9. 核心蛋白与核心成分的分子对接
胃宁颗粒是全国名老中医蓝青强教授基于多年临床经验研制而成的中药复方,对胃癌有很好的临床治疗效果 [
网络药理学基于其“多成分–多靶点–多通路”的原理被广泛运用于中药复方药效的解析。目前,在大部分网络药理学的相关研究中,科研工作者选取的化合物分子(活性成分)大部分源自文献报道和相关网络数据库,如TCMSP、TCMID、GeneCards及OMIM等,并未进行真正的实验研究(分离提取及鉴定)。由于提取工艺和药物/植物资源产地不同网络数据库中已报道成分未必在该种药用提取物中存在,这会导致构建的网络及预测的作用机制不够准确。在本研究中,我们通过液相色谱–质谱联用实验确认胃宁颗粒的主要成分,通过蛋白质组学获得胃宁颗粒导致的差异表达蛋白作为作用靶点。相较于传统网络药理学,我们的结果更为真实、可靠。
本研究发现的三个核心靶点VEGFA、BCL2L1及CDK4在胃癌的发生发展中扮演了至关重要的角色。血管生成是肿瘤增殖及转移最重要的环节之一,调控血管生成的基因往往是肿瘤治疗的潜在靶点 [
PI3K/Akt信号通路是各种类型癌症的主要信号通路,通过影响细胞存活、转移和代谢从而调控癌症的发生与发展 [
综上所述,本研究基于网络药理学及富集分析发现胃宁颗粒有效成分可能通过抑制PI3K/AKT通路活性从而降低胃癌细胞活性及侵袭。PI3K/AKT通路可能是胃宁颗粒抗胃癌主要作用机制。
广西大学大学生创新创业训练计划项目(S202210593280)。
赵桂玉,秦艺文,戴文娟,陈广玲,吴黎川,韦金锐. 基于网络药理学及实验验证探讨胃宁颗粒治疗胃癌的物质基础及作用机制Exploring the Material Basis and Mechanism of Weining Granules against Gastric Cancer Based on Network Pharmacology and Experiment Validation[J]. 药物资讯, 2024, 13(02): 56-67. https://doi.org/10.12677/PI.2024.132008
https://doi.org/10.3322/caac.21660
https://doi.org/10.1016/j.jaad.2020.03.132
https://doi.org/10.1016/j.gendis.2019.10.016
https://doi.org/10.3389/fphar.2022.889799
https://doi.org/10.1038/nbt1007-1110
https://doi.org/10.1016/j.phymed.2021.153881
https://doi.org/10.1016/j.jep.2021.113787
https://doi.org/10.1093/jnci/82.1.4
https://doi.org/10.1074/jbc.M307742200
https://doi.org/10.1007/s40265-018-0903-9
https://doi.org/10.1073/pnas.1507491112
https://doi.org/10.1590/1414-431x20165326
https://doi.org/10.2147/DDDT.S114022
https://doi.org/10.1002/tox.22623
https://doi.org/10.1159/000366342
https://doi.org/10.3892/br.2013.141
https://doi.org/10.1038/nature12912
https://doi.org/10.1111/1759-7714.13328
https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2021.03.121
https://doi.org/10.1016/j.gene.2022.146436