肉桂醛改善糖代谢作用靶点及生物信息学分析

徐丽华 刘银河 钟篇 张海林 王丽丽 钟泳滢 赵洪磊

[摘要]目的利用數据挖掘构建组合网络，通过生物信息学分析获取肉桂醛改善糖代谢作用靶点。方法首先应用网络药理学方法挖掘出数据库中肉桂醛改善糖代谢作用的32条通路;再基于 R 软件包“graphite”将数据库中的通路转换为生物网络，在线进行富集分析;然后用Cytoscape构建代谢组学与网络药理学的组合网络;最后推测改善糖代谢作用的关键靶点和潜在的关联机制。结果筛选出10个与肉桂醛改善糖代谢有关的关键靶点，其中 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2这5个靶点最有可能受肉桂醛调控。结论采用网络比较和比对方法建立生物通路组合网络，分析肉桂醛的候选关键靶点的方法是有效可行的。

[关键词]肉桂醛;糖代谢;生物途径;组合网络

[中图分类号] R285  [文献标识码] A   [文章编号]2095-0616（2022）07-0057-05

Targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism andbioinformatics analysis

XU LihuaZHONGPianZHANGHailinWANGLihLIU YinheZHONG Yongying®ZHAO Honglei

1. Department of Pharmacy， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;2. Department of Laboratory Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;3. Department of Endocrinology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;4. Department of Traditional Chinese Medicine， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;5. Department of Cardiology， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China;6. Clinical Medicine Research Center， Fuwai Hospital Chinese Academy of Medical Sciences， Shenzhen， Guangdong， Shenzhen 518000， China

[Abstract] Objective To construct a combinatorial network by data mining and obtain the targets of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism through bioinformatics analysis. Methods Firstly， 32 pathways of cinnamaldehyde in improving glucose metabolism in the database were excavated by the network pharmacology method. Then the pathways in the database were transformed into biological networks based on R software package "graphite"， and enrichment analysis was carried out online. Cytoscape was used to construct a combinatorial network of metabonomics and network pharmacology afterwards. Finally， the key targets and potential correlation mechanisms in improving glucose metabolism were speculated. Results Ten key targets related to improving glucose metabolism by cinnamaldehyde were screened， among which IRS-1， AMPK-1， AMPK-2， PRKAB-1 and PRKAB-2 were most likely regulated by cinnamaldehyde. Conclusion It is effective and feasible to establish a combinatorial network of biological pathways by network comparison and comparative method to analyze the candidate key targets of Cinnamaldehyde.

[Key words] Cinnamaldehyde; Glucose metabolism; Biological pathway; Combinatorial network

随着生活水平的提高，糖代谢异常发生率较前明显增高，这不仅降低了人民群众的生活质量，加重了社会经济负担，如果合并高血压、高血脂等情况，更容易导致心脑血管不良事件发生率增加。肉桂是常见中药之一，改善糖代谢效果显著[1-2]，明确其主要成分肉桂醛的生物途径更有助于为糖代谢异常人群防治提供理论参考。本研究通过网络比较和基于选定生物通路（pathway）功能水平的对齐方法，评估肉桂醛与糖代谢相关的生物通路组合网络，证明肉桂醛在调节糖代谢异常中发挥作用，通过生物学分析进一步明确肉桂醛在糖代谢中的作用靶点。

1资料与方法

1.1 数据集获取

KEGG（http：//www.genome.jp/kegg/pathway. html）和BioCarta（https：//cgap.nci.nih.gov/Pathways/ BioCarta_Pathways）2個数据库是“开源”通路数据库的典型，涵盖了十多万个物种基因信息，常用于生物通路挖掘等基础性研究，可以提供观察基因相互作用模型。根据医学和生物学背景知识提取37类与糖代谢相关的疾病，见表1。根据既往研究结果[3]，选择553对 q 值小于0.001的疾病作为对糖代谢数据集，通过使用 David 进行的功能富集分析，将这些疾病的所有相关基因转化为通路[4]。

1.2 肉桂醛生物通路检索

既往文献[2，5]说明肉桂醛通过多种生物通路途径，改善糖代谢，本研究利用肉桂醛一词通过 PubMed 系统检索文献，寻找相关途径。

1.3 生物通路相似性检测

本研究中的 p 网络的构建步骤如下。①网络约定：使用 R 软件包“graphite”提取 KEGG 和生物群中存储的人类路径并转换为网络。②网络比较：利用图形度分布揭示生物网络中各节点与其局部网络结构相似性（structural similarity， SS）。③网络比对：在两个 AE （after effect）网络上，通过比较模拟的扩散核的熵来进行网络对齐;使用 R 软件包“igraph”和“netcom”来执行计算。

1.4 组合网络构建

利用肉桂醛生物通路与糖代谢生物通路的共同通路中基因的关系，构建一个新的组合网络;用 R 软件包“igraph”计算节点度（node degree）、节点介数（node betweenness）和边缘介数（edge  betweeness）。

2结果

2.1 肉桂醛的生物学特性及糖代谢相关途径

选择32条肉桂醛相关途径，并将其对疾病的影响分为两组：糖尿病相关组（包括28条途径）和高血压相关组（包括4条途径）。使用 David 将 KEGG 和生物群的所有糖代谢相关数据集转换为179个通路，p 值不超过0.05。两组途径共有12条共同的生物通路，提示肉桂醛在糖尿病、肥胖、Mets 和 CVD 等不同疾病或疾病阶段发挥了动态作用。糖代谢相关数据常见通路与糖代谢相关疾病之间的关系见表1。

12种常见途径中有9种与糖代谢相关，提示肉桂醛在糖代谢的不同方面可能发挥不同的改善糖代谢作用。其功能如下：①肉桂醛可以通过增加酪氨酸磷酸化水平来增强骨骼肌中的胰岛素信号通路[6]。这一阶段参与了三种途径，包括胰岛素信号通路（由MetS和 CVD 富集）、酪氨酸代谢（由MetS富集）和酪氨酸激酶信号的芽调控（由 CVD 富集）。“胰岛素信号通路”不仅与糖尿病等代谢综合征密切相关，与心血管疾病也密切相关，这可能是由于胰岛素信号通路是调节生物体寿命的一个重要途径[7]。②胰岛素分泌受损是糖尿病的病理生理异常之一，胰岛素样生长因子-1（IGF-1）被证明可以抑制胰岛素分泌，在糖尿病发生过程中发挥关键作用[8-9]。肉桂醛可以提高 IGF-1受体及其下游信号分子的磷酸化水平[10]，肉桂醛结合 IGF-1受体可能导致酪氨酸激酶的激活，从而导致内在酪氨酸的自磷酸化，与细胞增殖，调节组织分化，和保护免受凋亡等有关[11]。③研究提示，胰岛素抵抗患者的 cAMP 对胰岛素调节分泌作用受损[12]，cAMP 信号通路可以被肉桂醛调节，表现出改善糖代谢作用[7]。其他方面，通过组合网络的生物信息学分析发现，血脂代谢和血糖代谢可能有相同的信号通路。AMPK 信号通路通过调节 mTOR 信号通路和 IGF-1通路参与脂肪细胞的脂解调节过程[13]。

2.2 组合网络的拓扑特性

本研究利用所有的基因和12条共同通路之间的关系，建立了一个组合网络，该网络由335个基因作为节点，1793个关系作为边缘组成。节点中间度和节点中间度排在前10位的基因见表2。肉桂醛通过增加 AKT-1（AKT 丝氨酸/苏氨酸激酶-1）（28）、INSR（胰岛素受体）的 mRNA 表达和促进 IRS 1（胰岛素受体底物-1）磷酸化，激活 AMPK-1/2（蛋白激酶 amp 激活的催化亚基阿尔法-1/2）来增加胰岛素敏感性[14-16]。相反，肉桂醛则降低了胰岛素信号通路中包括 IGF-1R 在内的胰岛素信号通路蛋白编码基因的表达[17]。

在前10个基因中，有5个被证明受肉桂醛的调控，包括 IRS-1、AMPK-1、AMPK-2、PRKAB-1和 PRKAB-2。其余5个基因可分为两类：单胺氧化酶（MAOA 和 MAOB）和蛋白激酶 amp 激活的非催化亚基 gamma（PRKAG-1、PRKAG-2和 PRKAG-3），可能属于肉桂醛的候选靶点。

3讨论

肉桂醛是肉桂的主要成分，肉桂具有抗炎、抗氧化、抗糖尿病、抗癌、抗菌等作用[1-2，18-19]。然而，其在心血管疾病和代谢综合征等疾病中的调控作用机制尚不清楚。

生物途径作为分子相互作用、遗传、细胞、环境信息处理和代谢反应的整合，经常被用于各种复杂疾病的系统分析，如心血管疾病、糖尿病和癌症，但基于生物途径的肉桂醛系统功能分析仍然缺乏[20-24]。本研究设计了一个新的生物信息学管道来筛选肉桂醛靶点，利用新的组合网络，通过生物学信息分析，本研究发现，除了上述结果中验证的5个基因受肉桂醛的调控最为明显， MAOA、MAOB、PRKAG-1、 PRKAG-2和 PRKAG-3这5个基因也可以被认为是潜在的候选靶点。本研究描述了基于疾病或肉桂醛的不同路径集之间的动态相互作用，发现肉桂可能通过调节候选靶点参与代谢当量和部分心血管疾病的主要过程。一系列的分子事件在生命过程中影响胰岛素，这些过程反过来又有利于并加速肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的发展，这些候选靶点可能在这些过程之间的关系中发挥关键作用，如 IRS-1和 IGF-1R 之间的反馈。本研究结果显示利用新的组合网络进行肉桂醛功能作用的生物信息学挖掘分析是可行的。

血糖代谢异常和高脂血症、冠心病发生发展密切相关，是临床医学共识[2]。既往研究提示，肉桂醛在心血管疾病和代谢综合征的治疗中发挥一定作用[1-2]。本研究显示，肉桂醛可以同时参与代谢性疾病糖尿病和原发性高血压病的调控，其原因可能是肉桂通过调节胰岛素和胰岛素样生长因子（IGF-1）信号通路改善血糖代谢，而此生物通路是胰岛素抵抗的基本关键通路[25];此外，肉桂醛可以通过阻断 ERK 信号通路来延缓心肌肥厚和纤维化的进展[26-27]，心肌纤维化是血糖血脂异常和高血压导致心肌病变的最后病理改变;生物信息分析显示，肉桂醛不仅在糖尿病治疗发挥重要作用，在血脂紊乱和高血压的治疗方面也可能起到一定作用。

本研究所构建的组合网络可以在基因水平上反映出过程之间复杂的相互作用。更多类型的测序数据覆盖多种组学，如病毒基因组，大基因组可能提供更多的机制信息，特别是调控方向。本研究选择了多种糖代谢相关疾病和肉桂醛共有的12条共同通路，构建了一个包含共同通路中所有基因的联合网络，用来分析肉桂醛的关键靶点。中间性基因中有 IRS-1、INS、AKT-1和 INSR 这4个基因被证实受肉桂调控。与节点度相比，测量值为“中间度”，反映了基因/基因对基因在不同通路/疾病之间相互作用中的重要性，本研究中发现，10条中间边缘中的6条包含至少一个经过验证的肉桂靶点;形成 IRS-1-IGF-1R 边缘的两个节点是肉桂醛靶点，表现为 IRS-1表达上调，但 IGF-1R 在 miRNA水平上表达下调，提示肉桂醛靶点之间可能存在复杂的相互作用。

本研究从功能水平上，选择肉桂醛、糖代谢相关疾病的通路，采用网络比较和比对方法比较了与糖代谢相关的生物通路网络。本研究构建的新的组合网络来分析肉桂醛的候选关键靶点的方法是有效可行的，但更精准的生物通路及靶点需要动物实验和临床试验进一步验证。

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（收稿日期：2021-10-26）