基于网络药理学挖掘玉米须干预糖尿病的机制研究

高 莹 ，张晶璇 ，黄 羚

（1.中国中医科学院望京医院，北京 100102；2.北京中医药大学，北京 100029）

玉米须是禾本科植物玉蜀黍（Zea mays L.）的花柱和柱头，味甘、淡，性平，归膀胱、肝、胆经，具有利尿消肿，清肝利胆的功效[1]。明代医药家兰茂最先记载其于《滇南本草》，2010版《中华人民共和国药典》将其收入为利尿中药，《浙江民间草药》等地方药志记载其有治疗水肿，糖尿病等作用。因其价格低廉、无不良反应[2]，亦食亦药，受到越来越多的关注。目前，玉米须在糖代谢疾病中的应用报道日渐增多[3]，多数研究多停留在药效学研究层面，对于其干预糖尿病的活性成分的研究仍是一片空白，且其作用机制的研究尚未深入，不利于玉米须的进一步开发利用。

糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。糖尿病病因复杂多样，包括遗传因素、环境因素等，是最常见的“生活方式疾病”。全球约有4.25亿糖尿病患者[4]，他们当中许多人面临着病情进展带来的肾脏、心脏、血管、眼部、神经等损害，胰岛素是目前治疗糖尿病的最有效方法，但胰岛素疗法无法逆转疾病的发展过程，更无法彻底治愈，同时存在不良反应大等弊端，因此，从中医药宝库中挖掘干预糖尿病的有效方剂从而达到中西医结合使用减少西药副作用，提高糖尿病临床疗效变得尤有意义。本研究借助网络药理学的方法挖掘玉米须的主要活性，探讨活性成分的作用靶标与糖尿病的关联性，探讨玉米须对糖尿病的多成分-多靶标-疾病的干预作用机制，为其开发利用提供参考。

1 资料与方法

1.1 玉米须的活性成分和靶标 运用中药系统药理学数据库和分析平台（TCMSP），以“玉米须”为关键词检索其活性成分及靶标。以口服生物利用度（OB）≥30%，类药性（DL）≥0.18为标准筛选出活性成分，提取玉米须各活性成分的靶标，形成中药-靶标网络。

1.2 疾病-靶标网络构建 运用人类表型术语集（HPO）、毒性与基因比较数据库（CTD）和 TCMSP，以“diabetes mellitus”为关键词检索其靶标，用于完成疾病及靶标间关系网络的构建工作。并通过全球蛋白质资源数据库（UniProt）翻译成相应基因。

1.3 各靶标间相互作用关系的构建 将交集后中药-疾病靶标在相互作用基因/蛋白质的检索工具网站（STRING）中，选择“multiple proteins”后，输入相关靶标名称，在“organism”中选择“homo sapiens”进行检索，得到相应蛋白关系图，选择“molecular action”进行分析，记录蛋白间相互作用类型及得分。

1.4 GO功能富集和KEGG信号通路分析 在STRING平台进行京都基因和基因组百科全书（KEGG）的信号通路富集分析和基因本体（GO）的生物过程富集分析，以P＜0.05进行靶基因筛选，分析玉米须发挥药理作用的主要信号通路及生物过程。

2 结果

2.1 玉米须主要活性成分 筛选出玉米须主要活性成分12种，使用化学文摘社（CAS）以及化学信息搜索（Pubmed Chemicalbook，Pubchem）进行结构和化合物类型确认，共有主要为黄酮类、甾体衍生物、玉米黄素和脂肪酸类。见表1。

表1 玉米须主要活性成分Tab.1 Main active components of Maydis Seigma

2.2 各靶标间的相互作用 通过检索，得到玉米须的靶标基因为92个，糖尿病的靶标基因为102个，经交集显示，药物-疾病交集靶标基因为8个。玉米须的潜在靶标与糖尿病疾病靶标之间的蛋白质-蛋白质相互作用信息（PPI）通过STRING获得。网络中包含8个节点，平均度值为1.75。见图1。其中，有7项相关靶标的相互作用，见表2。

图1 基于STRING的药物—疾病靶标相互作用图Fig.1 Drug-disease target interaction map based on STRING

表2 玉米须干预糖尿病的相关靶标相互作用（关系系数≥0.455）Tab.2 PPI of Maydis Seigma intervention in diabetes mellitus（correlation coefficient≥ 0.455）

2.3 玉米须干预糖尿病的GO功能富集 对交集靶标基因进行GO生物过程富集，筛选到P＜0.05的GO条目87个，按照P值由小到大排列的前20条主要生物过程见表3。结果显示，其GO基因生物功能主要涉及：血糖稳态；对体内外多种有机物、无机物的反应例如细胞对有机氮化合物的反应、细胞对有机环化合物的反应、对氧的反应、对脂肪酸的反应、肽类激素刺激的细胞反应、细胞对含氧化合物的反应；脂肪代谢相关生物过程包括棕色脂肪细胞分化、脂肪细胞分化的正调控、脂肪酸代谢过程的调节、脂代谢过程的正调节、前体代谢物和能量生成调控；一氧化氮生物合成过程的正调控；细胞增殖的正调控、细胞增殖调控；饮食诱导发热；运输的正调控；生殖发育过程、生殖结构发育。

2.4 玉米须干预糖尿病的KEGG信号通路分析 筛选出P＜0.05的信号通路共37条，按照P值由小到大排列的前20条主要KEGG信号通路见图2。糖尿病相关通路2条：胰岛素信号通路、腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）信号通路；循环系统相关信号通路4条：肾上腺素在心肌细胞信号转导、扩张型心肌病、VEGF信号通路、cGMP-PKG信号通路；癌症相关通路3条：癌症的途径、小细胞肺癌、Ras信号通路、HIF-1信号通路；内分泌相关信号通路3条：卵巢类固醇激素分泌、雌激素信号转导通路、孕酮介导的卵母细胞成熟；炎症相关信号通路1条：TNF信号通路；神经递质通路1条：胆碱能突触。另有通讯连接、细胞凋亡、唾液分泌、蛋白质的消化和吸收等通路可能是玉米须干预糖尿病的途径。

图2 玉米须干预糖尿病的KEGG主要相关通路注释图Fig.2 Chart of KEGG major related pathways of Maydis Seigma intervention in diabetes mellitus

其中，结果显示RAC-α丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（AKT1）、胰岛素受体（INSR）和 cAMP 依赖性蛋白激酶催化亚单位α（PRKACA）参与了胰岛素信号通路。过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARG）和AKT1、INSR参与了AMPK信号通路。见图3。

3 讨论

图3 胰岛素信号通路参与2型糖尿病的过程Fig.3 Insulin signaling pathway involved in the process of type 2 diabetes mellitus

玉米须有“食物中的降糖药”之称，在2015年之前一直被作为利尿类中药写入《中华人民共和国药典》，其利尿消肿，清肝利胆的功效明确，临床运用广泛[5-7]。本研究筛选出玉米须最主要的活性成分为黄酮类、甾体衍生物、玉米黄素和脂肪酸类。文献支持黄酮类为玉米须降血糖的主要活性成分，也是被研究最多、运用范围最广的玉米须成分[8]。研究发现[9]，黄酮类成分除了有降血糖的作用以外，还有抗氧化作用、清除自由基、抗病毒等药理作用。研究者认为[10]玉米须的抗氧化作用能够减轻四氧嘧啶对胰岛β-细胞损伤程度，从而提高胰岛的分泌功能达到降血糖作用。这与本研究GO富集预测得出的玉米须可能通过对氧的反应、细胞对含氧化合物的反应等生物过程干预糖尿病密切相关。玉米黄素也具有很强的抗氧化性，同时又是构成视网膜黄斑区域的主要色素成分，在糖尿病视网膜病变的黄斑变性治疗上可作为保护因素[11]。

本研究运用网络药理学方法筛选出玉米须主要活性成分12种及靶标92个，涉及糖尿病的靶标有8个。KEGG分析显示靶基因主要分布于糖尿病、循环系统、癌症、炎症等4大类14条通路，以及其他与转录调控、物质代谢和细胞存活相关的通路。本研究发现与糖尿病相关通路主要是胰岛素信号通路、AMPK信号通路，胰岛素信号通路是一条很重要的2型糖尿病通路，根据KEGG胰岛素信号通路参与2型糖尿病的过程。

AMPK是糖代谢的主要调控分子，在细胞能量稳态调节中起到关键作用。张利军等人的研究表明[12]，黄酮类能够通过激活AMPK通路使糖代谢关键基因PEPCK和G6Pase低表达从而抑制糖异生代谢。AMPK信号通路常被视为2型糖尿病潜在治疗途径[13]。

本研究通过PPI网络分析发现多个多途径参与糖尿病的重要蛋白。AKT1是细胞生长信号通路中的传感器，AKT1作用在胰岛素介导的信号转导中，能够防止胰岛素受体去磷酸化，调节葡萄糖转运环节。研究表明AKT1参与葡萄糖储存环节，在血糖稳态中扮演重要的角色。本研究发现的另一个重要蛋白胰岛素受体是介导胰岛素的关键蛋白。胰岛素受体参与两条主要信号通路[14]，在PI3K-AKT/PKB通路中调节胰岛素代谢，在Ras/RAF/MAP2K/MAPK通路中调节胰岛素的细胞生长、存活、分化，与葡萄糖的转运和调节密切相关，是2型糖尿病发病发展的重要环节。本研究筛选出了AKT参与的通路，也预测到了Ras信号通路，与文献报道相符合。除此之外，还有PRKACA和PRARG蛋白分别参与了胰岛素信号通路、AMPK信号通路，说明玉米须通过多种蛋白多途径干预糖尿病。

4 结论

研究表明，玉米须的主要活性成分可针对多个靶点、多条通路发挥干预糖尿病的作用，其作用可能与胰岛素信号通路、AMPK信号通路等有关，相关靶点及通路和现有的文献报道较为一致。本研究还表明，草果知母汤的潜在作用靶点提示其在循环系统、癌症、炎症的治疗中有一定的应用价值。尽管玉米须在最新版药典中被剔除，市场各类以玉米须为原料的保健品、食品层出不穷，获得了消费者的喜爱。美国食品药品监督管理局（FDA）认为玉米须是安全、无毒的草本，玉米须提取物所制的药品也被认为是非处方药，受到国际认可。研究为进一步玉米须干预糖尿病作用机制相关研究提供参考依据，同时为药食同源中药的研究开发提供借鉴。局限性在于本研究是基于大数据网络所做的预测，其降糖作用还需要通过进一步的实验研究加以佐证。