基于网络药理学和分子对接技术探究刺槐素改善血管内皮胰岛素抵抗的机制

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wynneyehui
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目的:应用网络药理学方法和分子对接技术,建立刺槐素(Acacetin,ACA)改善人脐静脉内皮细胞(HUVECs)在高糖(HG)应激诱导血管内皮胰岛素抵抗(IR)的“药物-疾病-靶点”网络,预测ACA作用的靶点及相应的信号通路;然后在细胞和分子水平验证ACA改善HG诱导血管内皮IR的作用并探究其作用机制,为临床ACA防治糖尿病血管并发症提供实验依据。方法:1、网络药理学和分子对接分析通过有机小分子生物活性数据库(Pubchem)获取刺槐素活性成分的简化分子线性输入规范(smiles)号、刺槐素3D结构文件并分别导入Swisstarget和Targetnet数据库,进行刺槐素活性成分靶点预测,将数据库收集到的各个靶点经Uniprot规范去重汇总,关键词为“insulin resistance”,在Genecards、OMIM、TTD等数据库中对疾病靶点的筛选并整理,删除结果中的重复数据,得到IR相关靶点数据集,接着将药物的预测靶点与疾病靶点输入Venny数据库比对并取交集,结果上传String在线软件,限定研究物种设置为人类,获得PPI网络图,然后运用Cytoscape3.8.0对其进行美化分析,运用Cytoscape3.8.0软件工具Cyto Hubba计算获得PPI网络图的拓扑参数,以线相连蛋白之间有调控作用的网络节点,利用R语言中的ggplot2、Stringr、cluster Profiler、org.Hs.eg.db等R包,进行基因本体(Gene Ontology,GO)富集分析和京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路分析,物种选择人类(Homo sapiens);最后利用Autodocksuite-4.2.6分子对接工具对关键靶标与活性成分小分子进行分子对接验证,对接完成后,依据对接计算结果,评价活性小分子与靶点之间的结合活性。2、细胞实验通过前期网络分析结果确定ACA作用分子靶点后,我们接着通过一系列细胞实验对ACA改善血管内皮IR的作用及机制进行进一步验证。首先成功建立HUVECs胰岛素抵抗模型,检测细胞培养上清液中一氧化氮(NO)、内皮素1(ET-1)的水平以及细胞的胰岛素信号通路中关键信号分子AKT-p S473的表达水平来验证IR模型是否成功建立。接着为了进一步排除ACA处理可能会使HUVECs产生细胞毒性,我们采用细胞计数检测法(Cell Counting Kit 8,CCK8)筛选出安全的药物处理浓度范围。确定药物作用的安全范围之后,接下来我们采用不同浓度的ACA处理HUVECs,验证ACA是否具有改善IR的作用。实验随机分为6组,对照(control,Ctrl)组、高糖(high glucose,HG)组、HG+5ACA(ACA浓度为5μM)组、HG+10ACA(ACA浓度为10μM)组、HG+20ACA(ACA浓度为20μM)组、HG+罗格列酮(HG+RG,RG浓度为5μM)组,按照实验分组处理完细胞后收集各组细胞培养基的上清液,检查各组的NO和ET-1水平检测ACA处理对高糖诱导IR的作用;Western blotting检测各组细胞e NOS-p S1177、e NOS、AKT-p S473、AKT蛋白表达,并比较各组e NOS-p S1177和e NOS比值(e NOS-p S1177/e NOS),AKT-p S473和AKT比值(AKT-p S473/AKT)的改变,检测ACA处理对胰岛素信号通路蛋白表达和激活的影响。确定ACA具有改善高糖诱导细胞IR后,为了进一步验证其机制,我们进一步将细胞随机分为Ctrl组、Ctrl+ACA(ACA浓度为20μM)组、HG组、HG+ACA组4组,流式细胞仪检测细胞内活性氧(ROS)水平,ELISA检测上清液中TNF-α水平,Western blotting检测各组细胞IKKα/β-p S176、IKKα/β、NF-κB-P65蛋白表达水平。为了进一步探讨细胞在IR的状态下ACA是否会影响TNF-α的转录活性,我们进一步将各组细胞又随机分为2个亚组,即Ctrl+NC(Negative control)组和Ctrl+RELA组,Ctrl+ACA+NC组和Ctrl+ACA+RELA组,HG+NC组和HG+RELA组,HG+ACA+NC组和HG+ACA+RELA组。将各组细胞转染质粒后进行荧光素酶报告基因的分析检测ACA对NF-κB转录活性的影响。结果:1、网络药理学和分子对接分析(1)经Swisstarget数据库预测得100个药物作用靶点,Targetnet数据库预测得623个药物作用靶点,并整理文献已报道的靶点,合并去重得靶点122个。(2)经Genecards数据库预测得8633个疾病靶点,OMIM数据库预测得314个疾病靶点,TTD数据库未搜索到。并整理文献已报道的靶点,合并去重得靶点8995个。(3)将潜在活性成分的预测靶点与疾病靶点输入Venny数据库比对并取交集,获得刺槐素抗胰岛素抵抗的102个靶点数据集。(4)获得PPI网络并运用Cytoscape3.8.0美化分析,其中TNFα的Degree值最高,为41。(5)分子对接结果为-4.25。2、细胞实验(1)Western blotting及ELISA结果显示,与Ctrl组相比,HG组的NO水平和AKT-p S473的表达水平显著降低(P<0.05),而ET-1水平显著升高(P<0.05),表明IR模型建立成功。(2)CCK8结果显示,5~20μM ACA处理细胞24 h后,ACA未呈现出显著的细胞毒性。(3)与Ctrl组相比,HG组的NO水平减少(P<0.05),ET-1水平升高(P<0.001);与HG组相比,HG+5μM组、HG+10μM组的NO水平没有明显变化,但是HG+20μM组和HG+RG组、的NO水平显著增高(P<0.05),所有各组ET-1水平均显著降低,并且呈现出明显的量效关系,表明ACA呈浓度依赖性地改善高糖诱导IR效果。(4)与Ctrl组相比,HG组的e NOS-p S1177/e NOS和AKT-p S473/AKT显著降低(P<0.05);经ACA和RG处理后,与HG组比较,ACA各组以及RG组的e NOS-p S1177/e NOS和AKT-p S473/AKT均出现显著升高,其中HG+20组作用最显著(P<0.01)且与RG组作用相当;该结果进一步表明,ACA可改善高糖诱导的IR,并呈现出较好的量效关系。(5)Ctrl组和Ctrl+ACA组的细胞ROS水平没有明显的差异(P>0.05),表明ACA本身并不引起氧化应激;对比Ctrl组,HG组和HG+ACA组的细胞ROS水平显著增加(P<0.01),说明高糖可引起细胞产生氧化应激反应;但有趣的是,HG组和HG+ACA组之间的ROS水平也无显著性差异,表明ACA改善IR的效应不是通过拮抗细胞氧化应激来实现的。(6)从TNF-α水平得知,与Ctrl组相比,Ctrl+ACA组TNF-α水平没有显著性差异,而HG组的TNF-α水平升高(P<0.001);与HG组相比,跟HG+ACA组的TNF-α水平显著降低(P<0.01)。表明ACA可能是通过减少上清液中TNF-α水平来改善HG引起的IR。(7)Western blotting结果显示,各组间的IKKα/β和总NF-κB-P65水平均没有显著性差异,说明HG和ACA对IKKα/β和总NF-κB表达无明显影响;但是,跟Ctrl组相比,Ctrl+ACA组IKKα/β-p S176与IKKα/β比值没有明显变化,说明在正常生理情况下,ACA本身并不激活IKKα/β;但HG组的IKKα/β-p S176与IKKα/β比值显著增加(P<0.001),说明HG可激活炎症通路;与HG组相比,HG+ACA的IKKα/β-p S176与IKKα/β比值显著下降(P<0.01),说明ACA可对抗HG所诱导的炎症通路的激活。接着我们进一步提取了各组细胞的核蛋白行Western blotting检测,结果显示,跟Ctrl组相比,Ctrl+ACA组NF-κB-P65的核蛋白水平没有明显变化,HG组的NF-κB-P65的核蛋白水平增加(P<0.05),说明高糖激活炎症通路后可促使NF-κB-P65入核;跟HG组相比,HG+ACA的NF-κB-P65的核蛋白水平显著下降(P<0.05),表明ACA可对抗HG诱导的IKKα/β激活及随后的NF-κB-P65入核。以上结果表明,ACA可以通过抑制炎症通路蛋白的激活而不是抑制其表达来改善IR。(8)荧光素酶报告基因检测结果显示,HG+RELA组NF-κB转录活性比的Ctrl+RELA组和Ctrl+ACA+RELA组显著增强,说明HG可升高NF-κB转录活性;与HG+RELA组相比,HG+ACA+RELA组的NF-κB转录活性显著降低,表明ACA可以抑制HG诱导的NF-κB转录活性的异常升高,从而降低炎症反应。结论:网络药理学和分子对接技术预测了ACA作用的潜在靶点TNF-α,信号通路为IKKα/β-NF-κB;(2)细胞实验验证并阐明了ACA可通过抑制HG诱导的NF-κB入核和转录活性的异常升高,降低TNF-α水平以此改善HG诱导IR。
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