基于网络药理学和分子对接分析柴胡抗氧化应激作用机制

任海伟1,2,3,彭丹妮1,2,3,魏浛夷1,2,3,申兴国4,郭晓鹏1,2,3,赵洪源1,2,3 *,潘立超1,2,3,田亚琴1,2,3

(1.兰州理工大学 生命科学与工程学院,甘肃 兰州 730050;2. 甘肃省食药资源开发与生物制造行业技术中心,甘肃 兰州 730050;3.甘肃省中藏药筛选评价及深加工高校重点实验室,甘肃 兰州 730050;4.卓尼县农畜产品质量安全检测检验中心,甘肃 甘南 747699)

摘 要: 运用网络药理学和分子对接技术分析柴胡抗氧化应激的作用机制,通过网络药理学方法分析得到柴胡抗氧化应激的主要活性成分与核心靶点、柴胡与氧化应激的交集靶点以及可能的信号通路,预测柴胡主要活性成分与氧化应激核心靶点的结合能力。结果显示:从柴胡中筛选得到14 种活性成分及378 个作用靶点,后与1 934 个氧化应激相关靶点取交集,得到191 个共同靶点。基因本体(Gene Ontology,GO)功能和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析发现,柴胡的抗氧化应激作用主要通过影响癌症通路、阿尔茨海默病通路、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B 信号通路、Rap1 信号通路、白细胞介素-17 信号通路等实现。分子对接结果显示,从柴胡中筛选出的主要活性成分与抗氧化应激核心靶点间均具有较好的结合活性。综上,柴胡可通过多成分、多靶点、多通路调节机体氧化应激。

关键词: 网络药理学;分子对接;柴胡;氧化应激;作用机制

柴胡为伞形科植物柴胡(Bupleurum chinense DC.)或狭叶柴胡(Bupleurum scorzonerifolium Willd)的干燥根[1],主要用于治疗感冒发热、胸肋疼痛、肝郁气滞、月经不调等症状[2]。现代药理学研究表明,柴胡具有抗氧化、抗炎、护肝、抗肿瘤、解热、镇痛等作用[3]。柴胡中存在皂苷、挥发油、多糖、黄酮、香豆素等多种生物活性成分[4],可通过抑制自由基产生或清除细胞内自由基、提高抗氧化酶活性等途径发挥抗氧化作用,进而预防和治疗消化系统疾病、神经系统疾病、心血管系统疾病和妇科疾病等[5-8]

活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生物学功能是调节吞噬作用、细胞增殖、细胞代谢和细胞间信号传导[9],但机体内的活性氧自由基产生或积累过多,会造成氧化与抗氧化系统失衡,发生氧化应激[10]。氧化应激会造成蛋白质、脂质和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)等细胞组分损伤,从而导致细胞功能障碍、细胞凋亡异常和细胞坏死,引发许多严重的疾病,如癌症、糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病(包括帕金森病和阿尔茨海默病)等[11-12]。研究表明,丹参、党参、当归和黄芪等的提取物都是天然的抗氧化剂,可通过直接清除氧自由基、抑制脂质过氧化、调节核因子E2相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2,Nrf2)/血红素氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)、p38 丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)等氧化应激相关的信号通路的表达水平来进行抗氧化治疗[13-14]。此外,也有研究发现天然抗氧化剂(如维生素E、表没食子儿茶素没食子酸酯)的使用能防止酒精性肝病动物模型中的肝损伤,有效缓解炎症性肠病和胰腺炎,说明抗氧化剂药物在预防疾病的发生和抑制疾病的发展中起关键作用[15]。由于植物源性的抗氧化剂成分复杂,多数作用机制尚不明确,因此在临床中尚未得到广泛应用[16]

网络药理学是一种结合系统生物学和生物信息学的分析方法,可以全面阐述药物、靶点和疾病之间的复杂网络关系,进一步预测药物对疾病潜在的作用机制,使用网络药理学对分析具有多成分、多靶点、多途径等特点的中药有着独特优势[17-18]。随着网络药理学和生物信息学领域的发展与结合,使有关中药潜在活性成分与其作用的蛋白靶点研究具备了可行性和科学性[19],而且网络药理学的预测结果可进一步为药物研究提供理论依据[20]。分子对接是利用计算机技术,研究蛋白质受体与小分子配体间相互作用和识别,并预测其结合方式和亲和力的一种方法[21-22]。本研究通过运用网络药理学和分子对接技术对柴胡的主要活性成分、相关靶点进行分析,初步探究柴胡抗氧化应激的潜在作用机制,以期为研究柴胡对疾病的预防和治疗提供新的思路和参考依据,同时为柴胡的进一步开发及应用提供理论基础。

1 方法

1.1 柴胡活性成分及相关靶点筛选

通过中药系统药理学数据库(TCMSP,https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)检索柴胡的活性成分,由于中药活性成分进入体内后多经胃肠道吸收进入血液并发挥作用,故按照口服生物利用度(oral bioadoption,OB)≥30%、类药性(drug-likeness,DL)≥0.18 的标准进行初步筛选[23]。通过有机小分子生物活性数据库(PubChem,https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)查找活性成分名称对应的Canonical SMILES 式,分别导入小分子药物靶点预测在线数据库(SwissTarget Prediction,http://www.swisstargetprediction.ch/)进行靶点预测,以可能性(probability)>0 作为标准筛选活性成分靶点[24],并将靶点合并后删除重复项。

1.2 氧化应激相关靶点筛选

使 用GeneCards(https://www. genecards. org/)和OMIM(https://www.omim.org/)疾病靶点数据库,以“oxidative stress”为关键词检索。在GeneCards 数据库中,分值越高则代表该靶点与疾病联系越密切,以相关性分数(relevance score)>5 为标准筛选疾病靶点。将2 个数据库所得到的疾病靶点合并去重,得到疾病相关靶点名称。

1.3 交集靶点的筛选及柴胡“活性成分-靶点”网络的构建

将柴胡活性成分靶点和疾病靶点上传至Venny 2.1.0 在线作图工具(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/),分析后得到交集靶点[25]。使用Cytoscape 3.9.1软件构建“柴胡活性成分-靶点”网络图,利用内置工具Analyzer Network 分析网络拓扑参数,筛选柴胡抗氧化应激的主要活性成分。

1.4 蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction,PPI)网络分析

为更有效了解柴胡抗氧化应激的作用机制,将获得的柴胡-氧化应激的交集靶点上传至STRING 数据库(https://www.stringdb.org/),物种选择为“人”(Homo sapiens),根据相互作用最佳可视化分析,设置最小相互作用阈值为“Highest confidence>0.7”[26],隐藏游离节点,其余设置均为默认,将网络参数以“tsv”格式输出,将“tsv”文件导入Cytoscape 3.9.1 软件,用Analyzer Network 工具对网络进行分析,得到PPI 网络图。结合内置插件CytoNCA 分析,筛选出核心靶点[27]

1.5 基因本体(Gene Ontology,GO)功能富集分析及京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析

利用Metascape 平台(http://metascape.org/gp/index.html)对交集基因进行GO 功能和KEGG 通路富集分析。物种设置为“H.sapiens”,选择Custom Analysis,设置P<0.01,分析其主要的生物学过程与代谢通路并进行富集分析。筛选GO 功能富集分析的前10 项结果和KEGG 通路富集分析的前20 条通路,利用Graph-Pad Prism 8.0 软件和微生信在线作图网站(http://www.bioinformatics.com.cn/)将结果分别绘制成柱状图和气泡图进行可视化。

1.6 分子对接验证

选择PPI 网络中度值排名靠前的3 个靶点作为核心靶点,分别与上述筛选出的主要活性成分进行分子对接验证。在TCMSP 数据库中输入主要活性成分名,导出“mol2”格式文件,再导入AutoDock Tools 1.5.7 软件进行常规预处理,设为配体并保存为“pdbqt”格式。在Uniport 数据库中输入核心靶点名称,找到对应的Entry 编号,根据Entry 编号从PDB(http://www. rcsb.org/)数据库中筛选出符合要求(人源蛋白,原始配体与要对接的活性成分结构相似,分辨率高)的关键蛋白并下载;将蛋白导入PyMoL 2.5.4 软件去除原始配体和水分子,然后再导入AutoDock Tools 1.5.7 软件加氢处理,设为受体并保存为“pdbqt”格式。将上述蛋白受体和配体小分子的“pdbqt”文件导入AutoDock Tools 1.5.7 软件,以大分子蛋白为中心设置Grid Box,保证蛋白被完全包裹,再选择AutoGrid 插件获得对接活性位点,进行半柔性对接,得到结合能。选取与靶蛋白对接结果较好的成分,采用PyMoL 2.5.4 软件对结果进行可视化。

2 结果与分析

2.1 柴胡活性成分相关靶点的获取

通过TCMSP 数据库检索,并以OB≥30% 和DL≥0.18 的标准初步筛选得到17 种柴胡有效活性成分。通过PubChem 数据库和SwissTarget Prediction 平台检索预测柴胡活性成分的相关靶点,最终整合预测到1 037 个活性成分对应的靶点,删除重复性靶点和无靶点活性成分,最终筛选得到14 种有效活性成分,378 个对应的靶点蛋白。柴胡主要活性成分信息见表1。

表1 柴胡的活性成分
Table 1 Active components of Bupleuri Radix

MOL ID MOL004653 MOL004598 MOL004609 MOL002776 MOL013187 MOL000354 MOL000422 MOL001645 MOL004628 MOL000490 MOL000098 MOL004644 MOL000449 MOL004648活性成分白花前胡乙素3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮茵陈黄酮黄芩苷筚澄茄素异鼠李素山奈酚乙酸亚油醇酯羟基羽扁豆烷宁矮牵牛素槲皮素圣呋喃豆甾醇曲克芦丁OB/%46.06 31.97 48.96 40.12 57.13 49.60 41.88 42.10 47.82 30.05 46.43 79.91 43.83 31.60 DL 0.66 0.59 0.41 0.75 0.64 0.31 0.24 0.20 0.28 0.31 0.28 0.23 0.76 0.28

2.2 氧化应激相关靶点的获取

通过GeneCards 数据库检索“oxidative stress”疾病靶点,以relevance score>5 为筛选标准,得到1 792 个靶点,再通过OMIM 数据库检索“oxidative stress”疾病靶点,得到202 个靶点,将两个数据库所得到的疾病靶点合并去重,最终得到1 934 个氧化应激相关靶点。

2.3 交集靶点的获取及柴胡“活性成分-靶点”网络的构建与分析

采用Venny 2.1.0 在线作图工具将筛选的柴胡活性成分靶点与氧化应激相关靶点取交集,共得到柴胡-氧化应激交集靶点191 个,具体见图1。

图1 柴胡活性成分靶点与氧化应激靶点韦恩图
Fig.1 Venn diagram of targets related to active components of Bupleuri Radix and oxidative stress

使用Cytoscape 3.9.1 软件构建柴胡“活性成分-靶点”网络图见图2。

图2 柴胡“活性成分-靶点”网络
Fig.2 “Active component-target” network of Bupleuri Radix

三角形代表柴胡活性成分;矩形代表活性成分对应的靶点;节点与节点之间的连线代表活性成分与靶点之间的相互作用关系。

由图2 可知,柴胡“活性成分-靶点”网络由206 个节点和611 条边组成。

在Cytoscape 3.9.1 软件构建的柴胡“活性成分-靶点”网络图中,每个节点的度值越高,表明活性成分在网络中发挥的作用越关键,柴胡“活性成分-靶点”网络节点度值见表2。

表2 柴胡活性成分网络节点度值
Table 2 Network node degree of active components of Bupleuri Radix

MOL ID MOL004598 MOL000490 MOL004653 MOL000354 MOL004609 MOL000422 MOL000098 MOL013187 MOL000449 MOL001645 MOL004628 MOL004648 MOL004644 MOL002776活性成分3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮矮牵牛素白花前胡乙素异鼠李素茵陈黄酮山奈酚槲皮素筚澄茄素豆甾醇乙酸亚油醇酯羟基羽扁豆烷宁曲克芦丁圣呋喃黄芩苷度值66 65 64 64 63 63 63 47 30 28 23 12 12 11

由表2 可知,度值排名前7 的活性成分为3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、白花前胡乙素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚和槲皮素,可能是柴胡抗氧化应激的主要活性成分。

2.4 PPI 网络及核心靶点

将获取的柴胡-氧化应激交集靶点导入STRING数据库获得靶点间的相互作用,进行拓扑分析,以度值大小反映靶点大小及颜色深浅,从而构建网络,结果见图3。

图3 191 个交集靶点的PPI 网络
Fig.3 PPI network of 191 common targets

由图3 可知,该网络共有179 个节点和860 条边,网络平均邻居节点数为9.609 0。

在Cytoscape 3.9.1 软件构建的PPI 网络图中,利用CytoNCA 插件分析度值、介度、紧密度等拓扑学参数,进一步筛选出核心靶点。其中度值越大,节点越大,则靶点之间的关系越紧密。重要靶点网络节点特征参数见表3。

表3 重要靶点网络节点特征参数
Table 3 Network node characteristic parameters of key targets

靶点SRC HSP90AA1 AKT1 EGFR PIK3R1 PIK3CA CASP3 APP TNF PTK2度值56 51 44 42 34 31 31 27 27 27介度0.158 6 0.099 0 0.085 5 0.077 3 0.017 3 0.013 2 0.054 0 0.078 0 0.076 7 0.019 1紧密度0.507 1 0.494 4 0.487 7 0.489 0 0.434 1 0.432 0 0.449 5 0.436 3 0.439 5 0.417 8

由表3 可知,SRC 在网络中的度值为56,HSP90AA1 度值为51,AKT1 度值为44,预测SRC、HSP90AA1、AKT1 是柴胡抗氧化应激的核心靶点。此外,表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)、PIK3R1、PIK3CA、半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3,CASP3)、淀粉样β 前体蛋白(amyloid-beta precursor protein,APP)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、蛋白酪氨酸激酶2(protein tyrosine kinase 2,PTK2)等也是重要的靶点。

2.5 GO 功能与KEGG 通路富集分析

“活性成分-疾病”靶点GO 功能富集分析见图4。

图4 “活性成分-疾病”靶点GO 功能富集分析
Fig.4 GO enrichment analysis of targets shared by active components and disease

由图4 可知,GO 功能富集分析中,共得到生物过程(biological process,BP)富集结果189 个、细胞组成(cellular component,CC)富集结果107 个、分子功能(molecular function,MF)富集结果134 个。BP 主要涉及细胞对含氮化合物的反应、激酶活性调节、对外来生物刺激的反应、对无机物质的反应、细胞对有机环状化合物的反应等;CC 主要涉及膜筏、神经元细胞体、受体复合物、转移酶复合物、转移含磷基团、细胞质的核周区域等;MF 主要涉及蛋白激酶活性、氧化还原酶活性、蛋白酪氨酸激酶活性、激酶结合、肽链内切酶活性等。

“活性成分-疾病”靶点KEGG 通路富集分析见图5。

图5 “活性成分-疾病”靶点KEGG 通路富集分析(前20)
Fig.5 KEGG pathway enrichment analysis of targets shared by active components and disease( top 20)

由图5 可知,KEGG 通路富集分析中,共得到168 条结果,选取P 值排列前20 的通路结果进行可视化,其中气泡面积大小代表该通路上富集基因的数量,气泡越大说明基因数量越多;气泡颜色代表富集显著性,颜色越深说明富集越明显。柴胡抗氧化应激主要涉及癌症、炎症、神经兴奋、信号传导、细胞周期等几大类通路。主要集中在癌症通路、阿尔茨海默病、PI3K-Akt 信号通路、Rap1 信号通路、神经活性配体-受体相互作用通路、化学致癌-受体活化、白细胞介素-17 信号通路、血清素能突触、瞬时受体电位通道的炎症介质调节、脂肪细胞脂解调控、细胞周期等。

2.6 分子对接结果

根据分析结果,选取PPI 网络中度值较大的3 个靶点SRC(PDB-ID 1fmk)、HSP90AA1(PDB-ID 5j80)和AKT1(PDB-ID 1unq),分别与7 个度值较大的活性成分3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、白花前胡乙素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚、槲皮素为对象,进行半柔性对接,结果见表4。化合物与靶点之间的结合自由能≤-1.2 kcal/mol(即-5.0 kJ/mol,1 kcal/mol=4.18 kJ)表明该化合物与其靶点之间具有较好亲和力[28]

表4 主要活性成分与核心靶点的分子对接
Table 4 Molecular docking between main active components and core targets

活性成分3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮矮牵牛素白花前胡乙素结合能/(kJ/mol)异鼠李素茵陈黄酮山奈酚槲皮素SRC-20.816 4-21.485 2-25.999 6-25.748 8-25.707 0-24.076 8-23.658 8 HSP90AA1-14.421 0-15.716 8-18.350 2-18.057 6-15.424 2-20.649 2-16.761 8 AKT1-14.421 0-12.832 6-17.848 6-16.302 0-14.044 8-18.475 6-14.880 8

由表4 可知,主要活性成分与核心靶点之间均具有较好的亲和力。对接结果较好的5 个分别为白花前胡乙素-SRC(-25.999 6 kJ/mol)、异鼠李素-SRC(-25.748 8 kJ/mol)、茵陈黄酮-SRC(-25.707 0 kJ/mol)、山奈酚-SRC(-24.076 8 kJ/mol)、槲皮素-SRC(-23.658 8 kJ/mol)。

将对接结果在PyMoL 软件中可视化,结果见图6。

图6 结合性较好的活性成分与靶点对接示意图
Fig.6 Schematic diagrams of docking between active components and targets with strong binding affinity

A. 白花前胡乙素-SRC;B. 异鼠李素-SRC;C. 茵陈黄酮-SRC;D. 山奈酚-SRC;E. 槲皮素-SRC。

由图6 可知,活性成分白花前胡乙素与靶点SRC的2 个氨基酸残基(THR-247、PHE-150)形成2 个氢键,活性成分异鼠李素与靶点SRC 的5 个氨基酸残基(CYS-245、THR-247、PHE-150、GLU-146、GLN-144)形成6 个氢键,活性成分茵陈黄酮与靶点SRC 的5 个氨基酸残基(TYR-149、GLU-147、VAL-244、LEU-89、THR-247)形成7 个氢键,活性成分山奈酚与靶点SRC 的3 个氨基酸残基(GLU-146、GLN-144、PHE-150)形成3 个氢键,活性成分槲皮素与靶点SRC 的6 个氨基酸残基(GLU-146、GLN-144、TYR-149、GLU-147、CYS-245、THR-247)形成8 个氢键。

3 讨论与结论

本研究通过网络药理学方法,发现柴胡抗氧化应激的主要活性成分为3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、白花前胡乙素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚、槲皮素。其中3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚、槲皮素属于黄酮类化合物,具有抗氧化、抗炎、抗衰老、抗肿瘤和免疫调节等作用[29-30]。矮牵牛素作为一种重要的植物花青素,可以通过调节NADPH 氧化酶4 的表达来抑制ROS 产生,从而保护心肌细胞免受氧化应激损伤,并通过调节B 细胞淋巴瘤2(Bcl-2)途径防止心肌细胞凋亡[31]。异鼠李素在体外可清除DPPH 自由基和ABTS+自由基,抑制肝脏线粒体脂质过氧化,具有较好的抗氧化活性[32]。异鼠李素能够通过激活PI3K-Akt 信号通路保护人类视网膜色素上皮(RPE)细胞免受氧化应激诱导的细胞死亡[33],还可以通过激活Nrf2/HO-1 和细胞外信号调节激酶(extracellular regulating kinase,ERK)途径来增强细胞抗氧化防御能力,从而防止小鼠成肌(C2C12)细胞来自H2O2 诱导的细胞毒性[34]。与维生素C 相比,茵陈黄酮对OH 自由基和DPPH 自由基具有良好的清除能力[35]。山奈酚不仅可以通过激活Nrf2/HO-1 信号通路抑制氧化应激和炎症,从而缓解急性血管损伤[36],还能够激活HO-1 表达,抑制诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)及NO 的产生,从而保护RAW264.7 巨噬细胞(小鼠单核巨噬细胞)不受脂多糖的损伤[37],同时也能通过PI3KAkt 介导的Nrf2 信号通路抑制玉米赤霉烯酮诱导的氧化应激和肝细胞凋亡[38]。槲皮素是一种天然的抗氧化剂,Alía 等[39]证实槲皮素可以降低人肝癌细胞HepG2中的ROS 及丙二醛(malondialdehyde,MDA)浓度,从而延缓或阻止氧化应激的发生。槲皮素还能够通过调节PI3K/Akt 信号通路改善线粒体功能和黏膜屏障,抑制炎症,从而减轻胃黏膜上皮细胞的氧化应激损伤[40]。白花前胡乙素属于香豆素类化合物,白花前胡香豆素组分对氧自由基有较强的清除作用,并可抑制脂质过氧化反应[41]。综合上述研究结果,柴胡中的7 种有效成分均具有较好的抗氧化活性,目前对于3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、白花前胡乙素、茵陈黄酮相关机制的研究相对较少,因此可以作为后续试验研究的重点方向。

PPI 网络分析筛选得到柴胡抗氧化应激核心靶点为SRC、HSP90AA1、AKT1、EGFR、PIK3R1、PIK3CA、CASP3、APP、TNF、PTK2。其中SRC 是Src 家族激酶(Src family kinases,SFKs)中的成员,是一种非受体型酪氨酸激酶,参与调控细胞增生与存活以及炎症反应等多种信号传递途径[42]。研究表明,ROS 的积累能增强SFK 的活性,诱导脂质过氧化、蛋白质修饰、DNA 链断裂和氧化损伤,从而导致细胞功能进行性丧失,而PP2(一种泛SFK 抑制剂)可以通过抑制NADPH 氧化酶活性来减弱高氧介导的ROS,进一步缓解炎症和氧化应激[43]。HSP90AA1 是HSP90α 的功能基因,是进化过程中高度保守且必不可少的一种分子伴侣,具有调节DNA 损伤修复、细胞周期、基因表达、氧化应激诱导的细胞凋亡和自噬等作用[44-45]。AKT1 是丝氨酸/苏氨酸激酶(AKT)主要的异构体之一,参与细胞凋亡、葡萄糖代谢等细胞过程,AKT 能抑制凋亡信号调节激酶1(ASK1)对氧化应激的反应,从而抑制氧化应激诱导的细胞凋亡[46]。通过本文分析发现,柴胡的主要活性成分与SRC、HSP90AA1、AKT1 等多个靶点相互作用,进一步利用分子对接手段验证了网络药理学结果的可靠性,证明了这些活性成分与核心靶点之间都具有较好的结合能力。

GO 功能富集分析显示,柴胡的活性成分主要通过调节细胞对含氮化合物的反应、激酶活性、对外来生物刺激的反应等BP、膜筏、神经元细胞体、受体复合物等CC,蛋白激酶活性、氧化还原酶活性、蛋白酪氨酸激酶活性等MF 实现抗氧化应激。KEGG 通路富集结果显示,柴胡的活性成分抗氧化应激主要涉及癌症、阿尔茨海默病、PI3K-Akt、Rap1、IL17 等信号通路。氧化应激是引发癌症、阿尔茨海默病等疾病的共同原因,缓解氧化应激是预防和治疗这几类疾病的共同方法。其中,PI3K-Akt 是细胞中重要的信号转导分子,是调节细胞增殖和凋亡所必需的,PI3K-Akt 信号传导可以调节ROS 表达和细胞氧化应激途径。范元赫[47]研究认为Rap1 信号通路在骨关节炎发病中起着一定的作用,通过抑制其信号通路表达可以抑制软骨细胞凋亡并减轻炎症反应,从而保护软骨细胞并降低膝骨关节炎的发生。此外,激活的Rap1 可以抑制TNF-α 诱导的脉络膜内皮细胞(choroidal endothelial cell,CEC)中ROS 生成并减少CEC 迁移,降低脉络膜新生血管(choroidal noevascularization,CNV)发展,而炎症和氧化应激都与CNV 发展有关[48]。IL-17 是一种促炎细胞因子,抑制IL-17 信号通路可以减弱胎盘氧化应激,促使胎盘炎症正常化并降低胎儿死亡的可能性[49]。以上研究表明,柴胡活性成分发挥抗氧化应激作用主要是通过调控多条信号通路实现的,与炎症、癌症、细胞凋亡等紧密相关。

本研究采用分子对接,验证了柴胡的7 种主要活性成分3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、白花前胡乙素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚、槲皮素与3 个核心靶点SRC、HSP90AA1、AKT1 的结合能力,结果显示主要活性成分与核心靶点间均存在结合位点,其中结合能力最高的为SRC 与白花前胡乙素,结合能为-25.999 6 kJ/mol;结合能力最低的为AKT1 与茵陈黄酮,结合能为-14.044 8 kJ/mol,主要由氢键连接。

综上所述,柴胡中的3,3″,4″,5,5″,6,7-六甲氧基黄酮、矮牵牛素、白花前胡乙素、异鼠李素、茵陈黄酮、山奈酚、槲皮素等活性成分可能通过作用于SRC、HSP90AA1、AKT1 等核心靶点,干预PI3K-Akt、Rap1、IL17、癌症、阿尔茨海默病等信号通路,从而调控癌症反应、炎症反应、细胞增殖和凋亡等过程发挥抗氧化应激作用。本文研究结果表明柴胡具有多成分、多靶点、多通路防治疾病等特点,可为进一步深入探究其作用机制提供理论依据,为探索柴胡在疾病的预防和治疗方面提供了方向指引,同时为柴胡的进一步开发及应用提供了参考依据。

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Network Pharmacology and Molecular Docking Reveal Anti-Oxidative Stress Mechanism of Bupleuri Radix

REN Haiwei1,2,3,PENG Danni1,2,3,WEI Hanyi1,2,3,SHEN Xingguo4,GUO Xiaopeng1,2,3,ZHAO Hongyuan1,2,3 *,PAN Lichao1,2,3,TIAN Yaqin1,2,3
(1. School of Life Science and Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China;2. Gansu Industrial Technology Center for Development and Biomanufacturing of Food and Pharmaceutical Resources,Lanzhou 730050,Gansu,China;3. Key Laboratory of Screening,Evaluation and Deep Processing of Chinese and Tibetan Medicines in Gansu Province,Lanzhou 730050,Gansu,China;4. Zhuoni County Testing and Inspection Center for Quality and Safety of Agricultural and Livestock Products,Gannan 747699,Gansu,China)

Abstract: The anti-oxidative stress mechanism of Bupleuri Radix was studied by network pharmacology and molecular docking. The major anti-oxidative stress components and core targets of Bupleuri Radix and the common targets and signaling pathways shared by Bupleuri Radix and oxidative stress were obtained by network pharmacological methods. The binding affinity of major components to core target proteins was predicted. The results showed that 14 anti-oxidative stress components and 378 targets were screened from Bupleuri Radix,and 191 common targets were shared by Bupleuri Radix and oxidative stress(1 934 targets). Gene Ontology(GO) function and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway analyses showed that Bupleuri Radix mainly regulated oxidative stress via the cancer pathway,Alzheimer′s disease pathway,phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B signaling pathway,Rap1 signaling pathway,and interleukin-17 signaling pathway. The molecular docking results showed that the main anti-oxidative stress components of Bupleuri Radix exhibited good binding affinity to the core targets related to oxidative stress. In conclusion,Bupleuri Radix might regulate oxidative stress via multiple components,targets,and pathways.

Key words: network pharmacology;molecular docking;Bupleuri Radix;oxidative stress;mechanism

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2025.08.010

基金项目:甘肃省知识产权计划项目(23ZSCQ036);兰州市科技计划项目(2022-2-94);兰州市青年科技人才创新项目(2023-QN-145)

作者简介:任海伟(1983—),男(汉),教授,博士,研究方向:食药资源开发与功能评价。

*通信作者:赵洪源(1987—),男(汉),讲师,博士,研究方向:食品微生物营养与功能。

引文格式:

任海伟,彭丹妮,魏浛夷,等. 基于网络药理学和分子对接分析柴胡抗氧化应激作用机制[J]. 食品研究与开发,2025,46(8):80-89.

REN Haiwei,PENG Danni,WEI Hanyi,et al. Network Pharmacology and Molecular Docking Reveal Anti-Oxidative Stress Mechanism of Bupleuri Radix[J]. Food Research and Development,2025,46(8):80-89.

责任编辑:冯娜

收稿日期:2024-02-17