基于组学数据和网络药理学探究小白菊内酯抗多发性骨髓瘤的作用机制

摘要

本研究旨在整合网络药理学、多种机器学习算法与分子对接技术,系统性筛选并验证小白菊内酯(parthenolide,PTL)抗多发性骨髓瘤(multiple myeloma, MM)的核心作用靶点,并揭示其潜在的分子机制。通过PharmMapper服务器预测PTL潜在靶点,并整合GEO公共数据集,经差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)分析与加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expressionnetwork analysis, WGCNA)筛选MM疾病相关基因,获得45个PTL抗MM的关键靶点。应用12种特征选择算法,包括最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)、随机森林(random forest, RF)、支持向量机(support vector machine, SVM)、梯度提升机(gradient boosting machine, GBM)和极限梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)等,构建了113种算法组合的预测模型,以筛选最优模型并鉴定核心基因。采用夏普利加性解释(Shapley Additive ex Planation, SHAP)分析评估模型可解释性。通过分子对接验证核心靶点与PTL的结合能力,并利用体外实验(包括CCK-8、 Ed U、流式细胞术及Western blot等)在人多发性骨髓瘤细胞系RPMI-8226中验证其生物学功能。研究成功鉴定出6个核心基因MAP2K2(编码MEK2蛋白)、 JUN、 HNMT、 CBS、 ESRRG和FABP4,其在MM诊断中表现出良好潜力,曲线下面积(area under the curve, AUC)均大于0.85。SHAP分析表明, MAP2K2是模型中最重要的预测特征。分子对接结果显示, PTL与所有核心靶点均能良好结合,其中与MAP2K2的结合亲和力最强。体外实验证实, PTL能浓度依赖性地抑制细胞增殖、诱导活性氧(reactive oxygen species,ROS)积累并促进细胞凋亡。机制研究表明, PTL可诱导MEK/ERK信号通路超活化,调控Bax/Bcl-2比例,进而激活Caspase-3依赖性凋亡通路。本研究揭示了PTL通过靶向MAP2K2等关键基因,诱导MEK/ERK通路超活化和氧化应激,从而激活线粒体凋亡通路以发挥抗MM作用,为将PTL开发为多发性骨髓瘤潜在治疗药物提供了理论依据。

关键词

小白菊内酯 / 多发性骨髓瘤 / 网络药理学 / 机器学习 / MAP2K2