附子多成分作用靶点预测及网络药理学研究

第36卷第21期 2011年 11月 Vol_36．Issue 21 November，201 1 · 专栏 · 附子多成分作用靶点预测及网络药理学研究 吴磊宏 ，高秀梅 ，王林丽 ，刘骞 ，范骁辉 ，王毅h，程翼宇 (1．浙江大学 中药科学与工程学系，浙江 杭州 310058； 2．天津中医药大学 天津市现代中药省部共建国家重点实验室，天津300193) [摘要] 目的：以常用中药附子为例，探索以中药化学成分预测其作用靶点，并构建中药多成分一多靶点网络。方法：根 据 1 401个美国FDA批准上市药物的分子结构及其相应靶点数据，采用随机森林法建立靶点预测模型；进而依据附子所含化 学成分预测其作用靶点，并据此构建附子多成分．多靶点网络。结果：以附子的22个化学成分预测卜n多个作用靶点，预测结果 得到文献数据印证。所建网络模型中每个化合物的平均靶点数为 16．3，平均每个靶点与4．77个化合物相关联，反映小中药 “多成分 、多靶点”特点。结论：本方法可用于发现中药的某些潜在作用靶点。 [关键词] 网络药理学；附子；靶点预测；网络中药药理学；多成分一多靶点网络 附子为毛茛科植物乌头 Acordtum carmichaeli Debx．子根的加工品，具有回阳救逆、补火助阳及散 寒止痛等功效 J¨。现代药理学研究表明，附子具有 抗心律失常、舒张血管、镇痛、抗衰老、抗肿瘤及调节 免疫等多种药效作用及某些毒性l2 ，但其多成分作 用靶点尚待系统研究和揭示。 网络药理学(network pharmacology)从药物、靶 点与疾病间相互作用的整体性和系统性出发，采用 复杂网络模型表达和分析研究对象的药理学性质， 特别适宜于反映及阐释中药的多成分．多靶点作用 关系，有望为中药多成分作用机制研究及现代中药 创制等带来新突破。目前，网络药理学研究理念已 被引入中药领域 5 J，但实例研究尚未见报道。本文 采用随机森林法建立靶点预测模型，进而以附子中 22个化合物的分子结构预测其作用靶点，并据此构 建了附子多成分．多靶点网络。 1 方法 1．1 数 据准 备和 整理 从 DrugBank数 据 库 (http：／／www．drugbank．ca／)下载美国FDA已批准的 1 401个小分子化学药的分子结构及其相应靶点数 据，并从附子相关文献中收集和整理得到附子所含的 【稿件编号] 201 10803008 [基金项目 科技部国际合作项目(2009DFB03510) [通信作者] 王毅，E-mail：mysky@ziu．edu．e／l； 程翼宇 E-mail ehengyy@zju．edu．en 1 10个化学成分。用 Dragon软件获取上述药物及附 子化学成分的分子结构描述符，并用 Pseudo Amino Acid Aomposition(PseAAC)工具生成药物靶点相对 应的参数。对上述数据进行预处理及标准化，去除离 群样本和冗余的分子描述符，用于后续数据分析。 1．2 附子潜在作用靶点预测 根据 1 401个化学药 物的分子结构及其相应靶点数据，分别建立药．靶矩 阵(阳性样本集)和非药．靶矩阵(阴性样本集)，组成 训练集，进而采用随机森林算法 建立靶点预测模 型，然后以附子中化合物分子结构预测其作用靶点。 训练集构建：根据 DrugBank中药物与已知靶点 的对应关系，将药物的分子描述符与靶点的PseAAC 参数进行关联，去除冗余数据后，组成药一靶矩阵 (4 755×934)，将其标记为1，作为阳性样本集；另 将 DrugBank中药物和药物靶点进行随机组合，并去 掉其中已知的药 靶关联组合，组成4 755×934的非 药一靶矩阵，将其标记为 0，作为阴性样本集；再将两 者组成训练集。 预测集构建：为去除类药性(drug—likeness)不高 的非药效成分，本研究先用主成分分析法(PcA)比 对附子的 1 10个化学成分与 1 401个小分子化学药 物的化学空间(chemical space)，从中筛选出甲乌药 碱、去甲猪毛菜碱和川乌碱甲等化学空间与小分子 药物相近的 22个化合物 将其与 DrugBank中已知 靶点进行组合，构建预测集。 参数优化：在用随机森林法建模时，需要对其主 · 2907· 第 36卷第21期 2011年 11月 V0l_36．Issue 21 November．201 1 要参数树数(ntree)和每棵树的节点数(mtry)进行 优化。本文从前述阳性和阴性样本集中随机各取 1 000个样本，用不同ntree和 mtry参数建模，考察其 交叉验证正确率。根据正确率最高原则，将 ntree定 为 l 000并设置 mtry为自动。 1．3 附子多成分一多靶点网络建模 根据上述 22 个附子化学成分的靶点预测结果，采用 Cytoscape软 件 构建附子多成分．多靶点网络模型。网络中，节 点(node)表示化合物或靶点；若某一靶点为某化合 物的潜在作用靶点，则以边(edge)相连。 2 结果及讨论 2．1 附子多成分．多靶点网络 用上述方法预测 得到的附子作用靶点示于表 1，其 22个化合物共 涉及 75个作用靶点(共 358次)；限于篇幅，表中 仅列出出现频次合计较高的肾上腺素能 、5一羟色 胺、多巴胺、M胆碱能受体及阿片受体等 5大类 受体及相应靶点。据此建立 的附子多成分．多靶 点网络见图 1。 表 1 附子 22个化合物的潜在作用靶点 · 2908· 2．2 附子作用靶点预测结果的文献验证 对计 算得到的附子潜在作用靶点进行 了文献验证，发 现预测出的 5大类受体相应靶点均有多篇相关 文献报道。例如，已有多篇文献证实，附子能升 高 ．肾上腺素能受体的最大结合容量‘ ，其有 效成分去甲乌药碱对小 鼠心肌 一肾上腺素能受 体密度具有上调作用 “J。杨洋等0 在细胞和 受体分子水平证 明了附子中的去甲乌药碱具有 激动 一肾上腺素能受体的活性。也有研究提示 去甲乌药碱能激动心肌细胞 的 -。肾上腺素能受 体 引。张斌等 ¨研究表明，大鼠给药附子后 ，脑 组织中 5一羟色胺含量下降，与临床病人表现相 符。Maruyama等 ¨与 Hamilton等 ¨的研究均 证实 ，去甲猪毛菜碱与多巴胺及 5一羟色胺受体有 关。易宁育等 ¨对 甲状腺机能减退模型的研究 发现 ，去甲乌药碱能够降低该模型小鼠脑 M胆碱 能受体 的最大结合位点数。同时，易宁育等 ¨ 还发现去甲乌药碱虽能促进 M胆碱能受体 的生 成 ，但其最终通过增加其降解速率使得异常升高 的 M胆碱能受体减少。Hashizume等 ¨的研究 表明，附子活性成分去 甲猪毛菜碱在刺激催乳素 释放时，具有多巴胺受体拮抗剂的作用。Vetulani 等 。。研究发现，去 甲猪毛菜碱能够特异性的拮 抗多巴胺受体激动区域的构象。Britton等 。。的 研究提示，去甲猪毛菜碱在细胞和体内实验中都 表现出拮抗多 巴胺的作用。徐红萌等 的研 究表明，附子能够通过阿片受体产生镇痛作用。 Omiya等 研究提示，附子的镇痛作用可能与阿 片受体和多巴胺受体有关。 除这5大类靶点外，钙调蛋白、雌激素受体 和糖皮质激素受体等其他一些出现频率相对较 低的附子潜在作用靶点也得到了相关文献验证。 如贾波的研究表明 ，附子能够激活钠通道及 降低阈电位，能够缩短心肌细胞的恢复时间，增 强心肌细胞的节律性。林有葡等 研究表 明， 附子等温阳药能使下丘脑．垂体一肾上腺皮质轴受 抑大鼠模型的血浆皮质酮和血浆雌二醇明显增 高，增加子宫雌激素含量，且提高了雌二醇和 E． R的亲和力。 上述文献验证结果表明，本文预测得到的附子 潜在作用靶点有较高的准确性，为进一步构建其多 成分一多靶 网络奠定了基础。 第 36卷第21期 2011年 11月 VoI．36．Issue 21 November．201 1 醯 o delg o r~din胁e ro一 0 0 图1 附子的多成分一多靶点网络模型 2．3 附子多成分．多靶点 网络分析 从 图 1可 见 ，附子所含化合物与靶点间存在复杂的网络关 系，网络模 型 中每个 化 合物 的平均 靶 点数 为 16．3，平均每个靶点与 4．77个化合物相关联，这 反映了中药“多成分、多靶点”特点。而且，去 甲 乌药碱 (higenamine)、去 甲猪毛菜碱(salsolino1) 和川乌碱甲(isotalatizidine)等成分在网络中连接 度较高，提示其可能是附子发挥药效作用的重要 成分。 3 结论 本文预测出的附子潜在作用靶点得到文献药理 数据的印证，所建立的附子多成分一多靶点网络能够 反映中药“多成分、多靶点”特点。这一方法可望用 于虚拟筛选中药有效物质并发现其作用靶点。 [参考文献] [1] 中国药典 ．一部[s]．2010：177． [2] Bai G．Identification of higenamine in Radix Aconiti Lateralis Preparata as a beta2-adrenergic receptor agonistl[J]．Acta Phar- macol Sin，2008，29：1187． [3] Liu W，Pi Z，Wang X，et a1．HPLC／ESI—MSn and ESI-MS stud— ies on the Aconitum alkaloids in three Chinese medicinal herbs [J]．J Sep Sci，2010，33：2898． [4] Singhuber J，Zhu M，Prinz S，et a1．Aconitum in traditional Chi— nese medicine-a valuable drug or an unpredictable risk[J]．J Ethnopharmacol，2009，126：18． [12] [13] [14] [15] [16] [17] m arIC 王毅，高秀梅，张4fl~L，等．论建立基于网络生物学的现代中 药创制方法学[J]．中国中药杂志，2011，36(2)：228． Breiman L．Random forests[Jj．Mach Learn，2011，45：5． Lipinski C，Hopkins A．Navigating chemical space for biology and medicine『J]．Nature，2004．432：855． 冯国平，荣征星．生地、龟板和附子、肉桂对“甲亢”大鼠口．肾 上腺素能受体的影响[J]．中西医结合杂志，1986(10)：606． 徐亚利，张晓莉 ．甲状腺激素低下对小鼠脑口-肾上腺素能受 体的影响[J]．江西医学院学报，1991，31(5)：11． 向荣，徐江涛，易宁育，等 ．去甲乌药碱的药理作用与心脏 口一 AR关系的初步研究 [J]．中国药理学通报，1995，11(2)： 113． 向荣，易宁育，夏宗勤 ．去甲乌药碱温阳作用 的机理研究 [J]．中药药理与临床，1994(6)：10． 杨洋．中药抗哮喘活性化合物的筛选和药理机制研究[D]． 天津：南开大学，2009． 阎爱荣，张宏．附子的药理研究[J]．中国药物与临床，2008 (9)：745． 张斌 ．中药四性理论的表述及黄连、栀子、干姜 、附子对正常 大鼠效应的实验研究[D]．济南：山东中医药大学，2008：35． Maruyama W．N-methylation of dopamine-derived 6，7-dihydroxy一 1，2，3，4-tetrahydroisoquinoline，(R)一salsolinol，in rat brains： in vivo microdialysis study[J]．J Neurochem，1992，59：395． Hamilton M G．Hirst M．Effects of salsolinol on smooth muscle responses to various biogenic amines[J]．Eur J Pharmacol， 1976，39：237． 易宁育，胡雅儿，何路明，等．去甲乌药碱对脑 M受体的调节 作用[J]．中药药理与临床，1992(5)：18． · 2909 · 1』 1j 5 6 7 8 9 r； r： rl 第36卷第 21期 2011年 11月 中国中药 杂志 China Journal ofChineseMaterlaMedlca Vo1．36，Issue 21 November，2011 [18] [19] [20] [21] 易宁育，夏宗勤，胡雅儿，等 ．一些滋阴助阳药调整口。肾上腺 素受体 cAMP系统及 M胆碱受体 cGMP系统间失平衡的分 子机理[J]．中药药理与临床，1994(6)：10． Hashizume T，Shida R，Suzuki S，et a1．Salsolinol is present in the bovine posterior pituitary gland and stimulates the release of prolactin both in vivo and in vitro in ruminants『J]．Domest Anita Endocrin，2008，34：146． Vetulani J，I N alepa，Antkiewicz—Michaluk L，et a1．Opposite effect of simple tetrahydroisoquinolines On amphetamine--and mot-- phine—stimulated locomotor activity in mice[J]．J Neural Transm， 2001，108：513． Britton D R，Rivier C，Shier T，et a1．In vivo and in vitro effects of tetrahydroisoquinolines and other alkaloids on rat pituitary functionf J]．Biochem Pharmacol，1982，31：1205． [22] [23] [24] [25] [26] 徐红萌，姜慧卿 ．附子对神经病理性疼痛大鼠的镇痛作用 [J]．中华麻醉学杂志，2005，25(5)：381． 徐红萌 ．乳铁蛋白和附子对神经病理性疼痛大鼠的镇痛作 用[D]．石家庄：河北医科大学，2005：46． Omiya Y，K Goto，Suzuki Y，et a1．Analgesia—producing mecha— nism of processed Aconiti tuber：role of dynorphin，an endogenous kappa—opioid ligand，in the rodent spinal cord[J]．Jpn J Pharma- col，1999，79：295． 贾波．细辛配伍附子含药血清对大鼠心肌细胞钠离子通道 电流的影响[D]．成都：成都中医药大学，2010． 林有蟊 ，陈玉生 ，韩新明，等 ．温阳药对下丘脑一垂体．肾』 腺 皮质轴受抑大鼠模型的子宫雌激素受体的作用[J]．中西医 结合杂志，1985(3)：175． Prediction of multi-target of Aconiti Lateralis Radix Praeparata and its network pharmacology WU Leihong ，GAO Xiumei ，WANG Linli ，LIU Qian ，FAN Xiaohui ，WANG Yi ，CHENG Yiyu’ (1．Department of Chinese Medicine Science&Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China； 2．Tianjin State Key Laboratory of Modern Chinese Medicine，Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 300193，China) [Abstract] Objective：To predict muhi—targets by multi—compounds found in Aconiti Lateralis Radix Praeparata and construct the corresponding multi—compound—multi—target network．M ethod：Based on drug—target relationships of FDA approved drugs，a model for predicting targets was established by random forest algorithm．This model was then applied to predict the targets of Aconiti Lateralis Radix Praeparata and construct the multi—compound—muhi—target network．Result：The predicted targets of 22 compounds of Aconiti Lateralis Radix Praeparata are validated by literature．Each compound in the established network was correlated with 16．3 targets on av— erage，while each target was correlated with 4．77 compounds on average，which reflects the”muhi—compound and multi—target”char— acteristic of Chinese medicine．Conclusion：The proposed approach can be used to find potential targets of Chinese medicine． [Key words] network pharmacology；Aconiti Lateralis Radix Praeparata；target prediction；network pharmacology of Chinese medicine；multi—compound—multi—target network · 2910· doi：10．4268／cjcmm20112101 [责任编辑 张宁宁]