分子模拟结合网络药理学探究沙棘治疗溃疡性结肠炎的作用机制

摘要

目的 探究沙棘治疗溃疡性结肠炎(Ulcerative colitis, UC)的作用机制。方法 通过HERB 2.0本草组鉴数据库检索“沙棘”(Herb ID:HERB004849),获得活性成分信息。通过瑞士药物可及性预测工具(SwissADME)、瑞士靶标预测(Swiss target prediction)数据库预测沙棘活性成分的潜在作用靶点。通过基因卡片数据库(Gene cards)、在线人类孟德尔遗传数据库(Online mendelian inheritance in man, OMIM)和治疗靶点数据库(Therapeutic target database, TTD),以“Ulcerative colitis”为关键词检索UC相关基因靶点。通过基因表达综合数据库(Gene expression omnibus, GEO)以“Ulcerative colitis”、“Homo sapiens”及“Array”为检索关键词检索UC相关的转录组数据。数据集筛选标准如下：(1)样本来源为结肠黏膜活检组织；(2)包含活动期UC组和正常对照组；(3)样本信息完整，并优先选择样本量较大的数据集。最终选择GSE75214和GSE87466两个数据集作为训练集，选择GSE87473作为验证集，进行表达差异分析，将活动期UC结肠黏膜活检样本作为UC组，正常结肠黏膜活检样本作为对照组，以P<0.05且|log2FC|>1为差异有统计学意义。将沙棘活性成分的潜在作用靶点、UC相关基因靶点和差异基因的交集作为沙棘活性成分治疗UC的潜在靶点。对潜在靶点进行基因本体(Gene ontology, GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)富集分析，通过STRING数据库构建其蛋白质-蛋白质相互作用(Protein-protein interaction, PPI)网络，筛选出排名前10位的关键靶点。通过通用蛋白质资源(Universal protein resource, UniProt)数据库及蛋白质结构(Protein data bank, PDB)数据库获取关键靶点的三维结构，从公共化学(Pub chem)数据库获取沙棘活性成分的分子结构。经过脱水和加氢等预处理后，使用AutoDockTools软件(版本：1.5.7)进行分子对接。采用GROMACS软件(版本：2022)进行分子动力学模拟。采用小分子通用(General AMBER force field, GAFF)力场生成沙棘活性成分小分子的力场参数，采用AMBER14SB力场描述蛋白质体系，结合TIP3P水模型构建体系的水化溶液环境。在模拟过程中，采用LINCS法对所有氢键进行约束处理，采用Particle-mesh Ewald法计算静电相互作用，在截断距离10Å内计算非键相互作用。采用V-rescale法将体系温度维持在298 K,采用Berendsen法将体系压力维持在1 bar。模拟完成后，采用VMD软件(版本：1.9.3)和PyMOL软件(版本：2.4.0)对分子动力学轨迹进行可视化处理，通过均方根偏差(Root mean square deviation, RMSD)、回转半径(radius of gyration, Rg)、均方根波动(Root mean square fluctuation, RMSF)、结合位点间距和埋藏溶剂可及表面积(Buried solvent accessible surface area, Buried SASA)评价复合物的稳定性。结果 共预测到94种沙棘活性成分，674个沙棘潜在靶点，959个UC相关基因靶点，788个差异表达基因。将沙棘活性成分的潜在作用靶点、UC相关基因靶点和差异基因取交集得到36个沙棘治疗UC的潜在靶点。KEGG与GO富集分析显示，36个潜在靶点主要涉及整合素结合、Th17细胞分化及细胞吞噬等生物学过程与信号通路。PPI网络分析进一步获得10个关键靶点：ICAM1、CXCR4、PTPRC、CCL2、MMP9、HIF1A、VCAM1、PTGS2、STAT1和PPARG。转录组差异表达分析显示除PPARG低表达外，其余关键靶点均在UC组中高表达，差异均有统计学意义(P<0.05)。分子对接结果表明，橙皮素、泽兰林素、黄酮醇、异鼠李素、山奈酚及木犀草素等黄酮类化合物与关键靶点均具有较强的结合活性。分子动力学模拟结果表明，异鼠李素-MMP9、黄酮醇-MMP9以及橙皮素-PPARG复合物具有较好的结合稳定性。结论 本研究系统阐明了沙棘治疗UC的潜在作用机制，为其在UC防治中的进一步开发与应用提供了理论依据。

关键词

沙棘 / 溃疡性结肠炎 / 网络药理学 / 分子对接 / 分子动力学