基于网络药理学的天南星抗癌机制研究

郝爱平，吴启康，国会艳，薛巨坤，魏继承，任如意

（牡丹江师范学院，黑龙江 牡丹江 157011）

天南星（Arisaema consanguineum）是天南星科天南星属植物。味苦辛，性温，有毒；是临床燥湿化痰、祛风止痉、散结消肿的常用药，外用治疗痈肿及蛇虫咬伤［1］。近年来的研究表明天南星具有良好的抗肿瘤活性。戚笑笑等［2］利用H22 肝癌细胞皮下移植动物模型来评价天南星的体内抗肿瘤作用，发现天南星的醇提取液和水提取液均具有抗癌作用。杨宗辉等［3］通过研究中药天南星提取物诱导人肝癌SMMC-7721 细胞凋亡及其生化机制，发现天南星提取物有诱导SMMC-7721 细胞程序性死亡的作用，其生化机制可能是通过激活特定的传导通路caspase 途径实现的。张志林等［4］采用小鼠腋下接种肿瘤细胞法测定天南星醇提物的抗肿瘤活性，结果揭示了中药天南星有可能通过增强机体的免疫力来实现其抗肿瘤活性。张岩等［5］通过研究中药天南星提取液对人肺癌A549 细胞作用发现天南星醇提液和水提液对人肺癌A549 细胞均有一定的增殖抑制作用，天南星醇提液抑制作用更为明显。研究表明天南星的化学成分有凝集素类、生物碱类、苷类、氨基酸类、甾醇类、挥发油类、脂肪酸类等。但是哪些化合物对于抗癌有作用以及天南星的抗癌机制目前尚不明确。

中药存在“多组分，多靶点和协同作用”的特点，该特点与网络药理学的“多靶点”思想极为一致，所以网络药理学被认为是研究中药的好方法［6-8］。基于网络药理学对某种中药材的研究、对中药制剂的研究、对于中药治疗某些疾病的机制研究日益增多。网络药理学针对生物网络并分析这些网络中药物，目标和疾病之间的联系［9，10］。有研究人员采用网络药理学揭示了莪术预防心血管和脑血管疾病的有效机制，同时预测了莪术的潜在靶点，发现莪术是预防心血管和脑血管疾病的主要成分，栀子、麝香和冰片作为辅助药物来辅助主要成分的作用，这些作用可能共同起到协同作用［11］。Xiang 等［12］运用网络药理学对灵桂珠甘汤（LGZGD）治疗第二代抗精神病药物（SGAs）诱导的代谢综合征（MetS）时发现JUN 是灵桂珠甘汤的推定靶标，APOA1 是MetS 和SGAs的已知靶标之一，LGZGD 可能抑制JUN，从而增加APOA1 的表达，通过一些重要途径维持代谢稳态。Hua 等［13］通过网络药理学实验发现当归补血汤的靶标与铁离子结合，造血，活性氧产生，细胞凋亡，炎症和相关信号传导途径相关。当归补血汤可以促进铁离子结合和造血活动，抑制炎症，产生活性氧，阻断细胞凋亡，对贫血症有显著作用。综上所述，研究人员可以有效利用网络药理学来探究中药的各种作用机制以及各种成分之间的相互作用并筛选出中药重要的化合物、靶点以及通路。因此本文通过网络药理学的方法对天南星的活性化合物、抗癌靶点以及通路进行分析，为今后进一步揭示天南星的抗癌机制和抗癌新药研发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 天南星活性成分的获取

利用中药系统药理学数据库及分析平台TCMSP（http：//lsp.nwu.tcmsp.php），输入研究材料的名称“天南星”，点击“ingredients（成分）”根据阅读文献并结合研究材料的实际情况，本次研究将设置口服生物利用度（oral bioavailability，OB）≥30%、药物半衰期（Drug half-life，HL）≥4 筛选并获得需要研究的活性成分。

1.2 天南星抗癌靶点数据的获得

利用中药系统药理学数据库及分析平台TCMSP（http：//lsp.nwu.tcmsp.php）和阅读文献获得天南星活性成分靶点。利用网络药理学常用的蛋白质数据库（Universal Protein）uniprot（http：//www.uniprot.org/uploadlists/）对基因名称统一化后再与GeneCards 数据库中的癌症相关基因进行映射；最终利用UniProt数据库将收集到的龙葵抗癌靶点-基因名称统一化，并建立抗癌靶点数据库。

1.3 天南星中活性成分抗癌靶点网络构建

使用cytoscape3.7.1 来整理数据把节点绘制成便于观看和研究的可视化网状图，以不同颜色的节点（node）表示药效成分、潜在核心作用靶点及作用通路。边（edge）用来连接某一药效成分和其潜在作用靶点以及作用靶点和其注释的相关通路。

1.4 天南星抗癌靶点互作及生物过程和通路富集分析

以STRING 平台（https：string-db.org/）分析天南星抗癌靶蛋白的相互作用。使用ClueGO 软件对抗癌靶点进行生物过程分析。利用DAVID 数据库（http：//david. niaid. nih. gov）和ImageGP（http：//www.ehbio.com/ImageGP/）对抗癌靶点进行通路富集。

2 结果与分析

2.1 天南星中活性成分分析

通过TCMSP 数据库筛选和阅读文献共找到天南星的48 种主要活性成分，选取与抗癌作用有关的活性成分有42 种（表1）。

2.2 抗癌靶点数据分析

通过阅读文献和使用uniprot 数据库一共获得了373 个靶点，通过筛选发现其中有291 个靶点与抗癌作用有关，除去相同的靶点，共获得65 个抗癌靶点（表2）。

2.3 天南星活性成分-抗癌靶点网络图分析

通过Cytoscape3.7.1 作图（图1）将抗癌靶点与化合物建立网络联系，以高度值（degree）≥10 为标准进行筛选，高度值越大的化合物或基因说明越重要。筛选出重要的化合物有松油醇（C5，Degree=14）、亚油酸（C7，Degree=11）、（8E，11E，14E）-8，11，14-二十二碳三烯酸甲酯（C18，Degree=12）、茚（C21，Degree=15）、2-甲基-5-丙基呋喃（C22，Degree=15）、表油菜素甾醇（C24，Degree=11）、1-乙酰基-B-咔啉（C29，Degree=14）、正戊基苯（C30，Degree=34）、2-甲基 苯并 呋喃（C35，Degree=21）。 重 要的靶 点有

ADH1B（Degree=10）、ADH1C（Degree=14）、LYZ（Degree=14）、PTGS2（Degree=19）、NCOA2（Degree=19）、CHRM1（Degree=10）、GABRA2（Degree=12）、CHRM2（Degree=10）、GABRA1（Degree=13）。以上研究表明天南星可能通过作用于这些基因发挥抗癌作用。

表1 天南星中潜在有效成分信息

表2 与抗癌有关的65 个靶点

图1 天南星活性成分-靶点网络图

2.4 抗癌靶点的PPI网络图分析

通过天南星抗癌靶点的靶蛋白互作图（图2）分析可以看出，有64 个蛋白有互作，PDE3A 与其他靶蛋白没有相互作用关系。图中共有64 个节点，255条边，平均度为7.97。可以根据评分的多少，来筛选出哪些靶点之间的联系更多、相互作用更强。以Sore≥0.990 的 有 PRF1、GZMB、RXRA、NCOA1、NCOA1、ESR1、RXRA、NCOA2、WNT3A、CTNNB1、NCOA2、ESR1、CTNNB1、CCND1、NCOA1、ESR2、ABCG8、ABCG5、ESR1、CCND1。 其 中 PRF1 和GZMB 之间的得分是0.999，RXRA 和NCOA1 之间、NCOA1 和ESR1 之间、RXRA 和NCOA2 之间的得分都是0.997，WNT3A 和CTNNB1 之间、NCOA2 和ESR1 之间、CTNNB1 和CCND1 之间的得分都是0.995，NCOA1 和ESR2 之间的得分是0.994，ABCG8和ABCG5 之间的得分是0，992，ESR1 和CCND1 之间的得分是0.990，因此以上这些靶点的抗癌作用相对强一些。

图2 抗癌靶点的PPI网络图分析

2.5 抗癌靶点生物过程及通路富集分析

天南星抗癌靶点共调控12 个不同的生物学过程（图3），包括活性氧合成过程、腺体形态发生、调节肌肉收缩、积极调节急性炎症反应、细胞内类固醇激素受体信号通路、调节平滑肌细胞增殖、调节平滑肌细胞收缩、乙醇脱氢酶活性、锌依赖性、对渗透压的反应、消化系统过程、化学突触传递和百叶酸生物合成过程。类固醇受体共激活因子3（SRC-3）基因在人肝癌组织的表达水平显著高于癌旁组织，SRC-3 基因高表达与肝癌的临床病理特征密切相关，SRC-3 可能成为潜在的肝癌分子标志物或治疗靶点［14］。通过DAVID 数据库的分析表明，天南星的抗癌靶点共有79 条通路。其中P＜0.05 的通路共有62 条。这些通路有一些与结直肠癌、小细胞肺癌、非小细胞肺癌、甲状腺癌、前列腺癌、胰腺癌、子宫内膜癌有关。有些与细胞凋亡、癌症中的蛋白多糖、癌症的途径、化学致癌作用、P53 信号通路、P13K-Akt 信号通路有关，这些通路间接起到抗癌作用。 通路分析气泡图（图4）横轴代表P，纵轴代表所选取的30 条重要通路。Rich factor 越大，表示富集的程度越大［15］。分析表明研究的关键靶蛋白主要富集于神经活性配体-受体相互作用通路、癌症通路、癌症中蛋白多糖通路、甲状腺激素信号通路、P53 信号通路等。

图3 靶点GO 功能分析

3 小结与讨论

图4 通路气泡图

网络药理学的多靶点研究思想，对新药的研发有更深远的意义。本文通过建立天南星-抗癌靶点网络图发现松油醇、亚油酸、（8E，11E，14E）-8，11，14-二十二碳三烯酸甲酯、茚、2-甲基-5-丙基呋喃、表油菜素甾醇、1-乙酰基-β-咔啉、正戊基苯、2-甲基苯并呋喃等物质的高度值高于其他化合物。重要的靶点有ADH1B、ADH1C、LYZ、PTGS2、NCOA2、CHRM1、GABRA2、CHRM2、GABRA1 等。有研究发现ADH1B 的基因多态性与食管癌淋巴结的转移有关［16］。前列腺素内过氧化物合酶2（PTGS2）基因，已证实在许多病理生理过程中发挥着重要作用，它是肿瘤、癌症形成的促进剂，且与多种繁殖性能，如排卵、胚胎移植、蜕膜、分娩等相关［17］。如PTGS2 负责炎症和有丝分裂发生中涉及的前列腺素类生物合成，与抗前列腺癌有关。PTGS2 多态性与中国东北地区肺癌的潜在原因有潜在的协同关联［18］。PTGS2的多态基因编码环氧合酶-2（COX-2），环氧合酶-2（COX-2）过度表达与乳腺癌预后不良有关［19］。NCOA2 是核受体辅激活因子2，NCOA2 不但可以促进人胃癌细胞增殖及生存能力，还可通过抑制凋亡、促进其转移和侵袭作用增强细胞存活能力［20］。GABRA1 在结肠癌细胞系中的异位过表达导致了对癌细胞生长的强烈抑制，GABRA1 和LAMA2 可能在大肠癌发生中起作用，并可能成为临床上筛选和检测大肠癌的潜在生物标志物［21］。因此，天南星可能通过作用于以上抗癌靶点起到抗癌作用。通过DAVID 数据库的分析表明，天南星的抗癌靶点共有79条通路。其中癌症通路、TNF 信号通路、结直肠癌通路、小细胞肺癌通路、非小细胞肺癌通路、甲状腺癌通路、前列腺癌通路、胰腺癌通路、子宫内膜癌通路、细胞凋亡通路等与癌症直接相关。神经活性配体-受体相互作用通路、癌症中蛋白多糖通路、P53信号通路、P13K-Akt 信号通路、AMPK-ACC 信号通路、Ca2+信号通路等与癌症间接相关，这些通路间接起到抗癌作用。研究表明，肿瘤坏死因子α（TNFα）是一种多能性细胞因子，其与受体TNFR1 或TNFR2 结合后向下传导的信号能够决定细胞的生死存亡［22］。P53 可通过参与调控恶性肿瘤细胞的增殖、分化、侵袭等机制在肿瘤发生发展中发挥重要作用。P53 信号通路的抗癌作用还基于P53 是肿瘤抑制蛋白，能够减轻正常细胞因生理逆境所带来的的危害［23］。酪氨酸的代谢水平与乳腺癌有密切的关系，酪氨酸代谢水平低会增加患乳腺癌的风险［24］。PI3K-Akt 信号通路参与肿瘤细胞存活、增殖、侵袭与迁移的调控［25，26］。AMPK-ACC 信号通路的激活在甲状腺乳头状癌（PTC）发生和转移中可能发挥了促进作用［27］。Ca2+信号通路通过介导DADS 诱导了人鼻咽癌CNE2 细胞凋亡［28］。蛋白多糖与肿瘤的发生、发展密切相关，与肿瘤血管的生成有关［29］。综上所述，推测天南星主要通过ADH1B、ADH1C、PTGS2、NCOA2 等抗癌靶点参与上述通路起到抗癌作用，这为今后天南星抗癌机制的深入研究提供了理论依据。