目的:基于网络药理学和生物信息学方法探讨越鞠丸和柴胡疏肝散“同病异治”抑郁症的作用机制。方法:利用TCMID、Batman-TCM获取越鞠丸与柴胡疏肝散各自的有效活性成分和作用靶点;通过基因表达集(GEO)芯片数据库筛选抑郁症差异基因,DrugBank、GeneCards、OMIM、TTD筛选抑郁症相关靶点基因;运用Cytoscape和String构建靶点相互作用网络PPI,并通过Cytoscape的Network Analyzer工具对靶点进行拓扑分析,插件ClusterViz的MCODE算法进行模块分析;利用DAVID对靶点进行GO和KEGG分析。结果:两个方剂中有310个共同靶点与抑郁症有关,越鞠丸特有抗抑靶点有20个,柴胡疏肝散特有抗抑靶点有52个。这两种药物可能通过INS、ALB、BDNF、IL6、FOS等关键蛋白所在的神经活性配体–受体相互作用、Calcium信号通路和细胞缝隙连接等发挥抗抑郁的作用。越鞠丸的特有靶点SCNN1G、SCNN1B、SCNN1A所在的醛固酮调节的钠重吸收、味觉转导信号通路揭示了抗抑郁机制;柴胡疏肝散的特有靶点AKT1、HRAS、MAPK1蛋白所在的癌症通路、ErbB信号通路等揭示了不同的抗抑郁机制。结论:越鞠丸和柴胡疏肝散由于组分差异,既可以通过相同靶点抗抑郁,也可以通过特有靶点抗抑郁。本研究对两种方剂中药物靶点和通路进行可视化网络分析,进而初步阐明“同病异治”抑郁症的科学内涵。 Objective: Based on network pharmacology and bioinformatics methods, to explore the mechan-ism of Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder in treating depression in “the same disease with dif-ferent treatments”. Methods: TCMID and Batman-TCM were used to obtain the active components and targets of Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder respectively; use Gene Expression Omnibus (GEO) and genetic disease databases to screen the differences of genes in depression; use DrugBank, Gene Cards, OMIM, TDD to screen related proteins to depression; use Cytoscape and String to construct the protein interaction network (PPI). Through the Network Analyzer tool of Cytoscape, the topology of the target was analyzed, and ClusterViz’s MCODE algorithm was used for module analysis; use DAVID for GO and KEGG analysis of targets. Results: Among the two formulations, 310 common targets were related to depression, among which 20 were specific anti-depressants of Yueju Pill and 52 were specific anti-depressants of Chaihu Shugan Powder. These two drugs may play an antidepressant role in the neural-active ligand-receptor interactions and Calcium signaling pathways of key proteins such as INS, ALB, BDNF, IL6, FOS and so on. The aldosterone regulating sodium reabsorption and taste transduction pathways of the specific targets SCNN1G, SCNN1B and SCNN1A of Yueju Pill revealed the antidepressant mechanism; AKT1, HRAS, MAPK1 in the cancer pathways and ErbB signaling pathways, which are specific targets of Chaihu Shugan Powder, reveal different antidepressant mechanisms. Conclusion: Due to the difference in components, Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder can be used as anti-depressants at the same or specific targets. In this study, the visual network analysis of drug targets and pathways in the two formulations was carried out to preliminarily clarify the scientific connotation of “treating depression in the same disease with different treatments”.
目的:基于网络药理学和生物信息学方法探讨越鞠丸和柴胡疏肝散“同病异治”抑郁症的作用机制。方法:利用TCMID、Batman-TCM获取越鞠丸与柴胡疏肝散各自的有效活性成分和作用靶点;通过基因表达集(GEO)芯片数据库筛选抑郁症差异基因,DrugBank、GeneCards、OMIM、TTD筛选抑郁症相关靶点基因;运用Cytoscape和String构建靶点相互作用网络PPI,并通过Cytoscape的Network Analyzer工具对靶点进行拓扑分析,插件ClusterViz的MCODE算法进行模块分析;利用DAVID对靶点进行GO和KEGG分析。结果:两个方剂中有310个共同靶点与抑郁症有关,越鞠丸特有抗抑靶点有20个,柴胡疏肝散特有抗抑靶点有52个。这两种药物可能通过INS、ALB、BDNF、IL6、FOS等关键蛋白所在的神经活性配体–受体相互作用、Calcium信号通路和细胞缝隙连接等发挥抗抑郁的作用。越鞠丸的特有靶点SCNN1G、SCNN1B、SCNN1A所在的醛固酮调节的钠重吸收、味觉转导信号通路揭示了抗抑郁机制;柴胡疏肝散的特有靶点AKT1、HRAS、MAPK1蛋白所在的癌症通路、ErbB信号通路等揭示了不同的抗抑郁机制。结论:越鞠丸和柴胡疏肝散由于组分差异,既可以通过相同靶点抗抑郁,也可以通过特有靶点抗抑郁。本研究对两种方剂中药物靶点和通路进行可视化网络分析,进而初步阐明“同病异治”抑郁症的科学内涵。
越鞠丸,柴胡疏肝散,抑郁症,同病异治,网络药理学,生物信息学
Zhihang Huang*, Wenwen Liu*, Xin Zhong, Benrong Mu, Dongmei Wang#, Jinlin Guo#
Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu Sichuan
Received: Nov. 17th, 2020; accepted: Dec. 25th, 2020; published: Jan. 5th, 2021
Objective: Based on network pharmacology and bioinformatics methods, to explore the mechanism of Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder in treating depression in “the same disease with different treatments”. Methods: TCMID and Batman-TCM were used to obtain the active components and targets of Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder respectively; use Gene Expression Omnibus (GEO) and genetic disease databases to screen the differences of genes in depression; use DrugBank, Gene Cards, OMIM, TDD to screen related proteins to depression; use Cytoscape and String to construct the protein interaction network (PPI). Through the Network Analyzer tool of Cytoscape, the topology of the target was analyzed, and ClusterViz’s MCODE algorithm was used for module analysis; use DAVID for GO and KEGG analysis of targets. Results: Among the two formulations, 310 common targets were related to depression, among which 20 were specific anti-depressants of Yueju Pill and 52 were specific anti-depressants of Chaihu Shugan Powder. These two drugs may play an antidepressant role in the neural-active ligand-receptor interactions and Calcium signaling pathways of key proteins such as INS, ALB, BDNF, IL6, FOS and so on. The aldosterone regulating sodium reabsorption and taste transduction pathways of the specific targets SCNN1G, SCNN1B and SCNN1A of Yueju Pill revealed the antidepressant mechanism; AKT1, HRAS, MAPK1 in the cancer pathways and ErbB signaling pathways, which are specific targets of Chaihu Shugan Powder, reveal different antidepressant mechanisms. Conclusion: Due to the difference in components, Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder can be used as anti-depressants at the same or specific targets. In this study, the visual network analysis of drug targets and pathways in the two formulations was carried out to preliminarily clarify the scientific connotation of “treating depression in the same disease with different treatments”.
Keywords:Yueju Pill, Chaihu Shugan Powder, Depression, The Same Disease with Different Treatments, Network Pharmacology, Bioinformatics
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
抑郁症(depressive disorder)又称为抑郁障碍,它是由于多种复杂原因所造成的一种心理疾病,主要以心境低落、活动衰退、思维迟钝为主要的发病症状。2008年世界卫生组织将重度抑郁列为全球第三大疾病。由于信息化时代发展,社会舆论暴力加剧,抑郁症已经成为了全球关注并重视的疾病,及时发现并治疗,有助于改善和提高抑郁症的疗效。
临床上西医治疗抑郁症用药包括丙米嗪、阿米替林、多塞平等,但连续服用西药起效时间长,停药后也易反复,可能还会出现无力、头晕、反射亢进、共济失调、肌肉震颤等不良反应,大剂量使用时甚至可能刺激中枢系统出现精神亢奋。而中医结合活血、清热、祛湿、消食和祛痰等法治疗 [
“同病异治”概念早在《素问·病能论》 [
网络药理学是一种新兴的以整体性、系统性为特点的网络分析研究方法。它可以通过搜索整合药物信息,从而揭示中药对机体调控机制 [
本研究采用网络药理学和生物信息学数据挖掘方法,通过筛选整合药物有效活性成分靶点和疾病靶点,对活性成分共有和特有的抗抑郁靶点及通路进行分析,从而阐释越鞠丸和柴胡疏肝散对抑郁症“同病异治”的作用机制和科学内涵。
越鞠丸由香附、苍术、川芎、栀子、六神曲5味中药组成,柴胡疏肝散由陈皮、柴胡、白芍、香附、枳壳、川芎、甘草7味中药组成。在中药化学数据库Batman-TCM (http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/) [
在美国国立生物中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)中的GEO (Gene Expression Ominibus)数据库(www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)检索抑郁症相关芯片,找到编码为GSE44593 (Organisms: Homo sapiens)的基因芯片数据,该芯片数据包括疾病组14例抑郁症患者、对照组14例正常对照者的基因,共28个样本。本研究采用R语言编limma软件包对该基因芯片数据进行分析,默认参数设置P value < 0.05,筛选出抑郁症差异表达基因。
利用DrugBank (https://www.drugbank.ca/) [
整理上述筛选结果,删除重复的靶点。采用Cytoscape3.7.2 (http://www.cytoscape.org/)构建越鞠丸–柴胡疏肝散成分–靶点网络,得到越鞠丸和柴胡疏肝散成分与靶点之间相关性的可视化关系图。
使用String 11.0 (http://string-db.org/)在线工具获取共有靶点之间的相互作用关系、特有靶点之间的相互作用关系,再导入Cytoscape 3.7.2软件构建共有抗抑靶点蛋白质与蛋白质相互作用网络(Protein-Protein Interaction, PPI)、两种中药方剂特有抗抑靶点PPI,其中用“节点”来表示作用靶点,“边”来表示靶点与靶点之间的关系。节点对应的边越多,表示该节点在整个网络中可能具有重要的作用。通过对共有靶点和特有靶点的网络构建分析,能够更好的阐释“同病异治”的作用机制和科学内涵。
运用Cytoscape3.7.2软件中的工具Network Analyzer来进行拓扑分析,以评价越鞠丸和柴胡疏肝散的共同抗抑靶点。其中有两个重要参数包括节点中心度和点的连接度。节点中心度用以衡量节点在网络中的中心程度,点的连接度是指该网络中与该点相连接的边的数量。运用Cytoscape中的ClusterViz进行模块分析,选择MCODE算法进行聚类分析 [
利用DAVID 6.7 (https://david.ncifcrf.gov/) [
利用Batman-TCM和TCMID两个数据库筛选靶点,去除没有对应靶点的成分。越鞠丸和柴胡疏肝散中成分和靶点统计见表1。结果显示越鞠丸的化学成分和靶点分别为132个、1247个,柴胡疏肝散的化学成分和靶点分别为305个、1413个。越鞠丸和柴胡疏肝散共有的化学成分和靶点是104个、1140个。其中,香附和川芎为两药共有的两种组分,对应的化学成分和靶点分别为 12个、91个和449个、958个。越鞠丸特有的化学成分和靶点分别是27个、107个;柴胡疏肝散特有的化学成分和靶点分别是175个、273个。越鞠丸–柴胡疏肝散成分–靶点网络(图1)其中有299个有效成分节点,1473个靶点节点和6691条边线。有效成分与靶点之间相互联系,且多个靶点对应多个成分,体现了中药方剂以“多成分–多靶点–多途径调节”的特点。
复方 | 单味药 | 成分数目 | 靶点数目 |
---|---|---|---|
越鞠丸 | 香附 | 12 | 449 |
苍术 | 15 | 315 | |
川芎 | 91 | 958 | |
栀子 | 14 | 664 | |
合计 | 132 | 1247 | |
柴胡疏肝散 | 陈皮 | 32 | 603 |
柴胡 | 67 | 1097 | |
白芍 | 18 | 123 | |
香附 | 12 | 449 | |
枳壳 | 10 | 342 | |
川芎 | 91 | 958 | |
甘草 | 75 | 690 | |
合计 | 305 | 1413 |
表1. 越鞠丸和柴胡疏肝散成分和靶点统计
图1. 成分–靶点网络。A1——越鞠丸特有成分;A2——柴胡疏肝散特有成分;A3——香附、川芎成分;A4——非香附、川芎共有成分;B1——鞠丸特有靶点;B2——香附、川芎靶点;B3——非香附、川芎共有靶点;B4——柴胡疏肝散特有靶点
进入GEO数据库,下载GSE44593基因芯片数据,用R语言对其进行数据分析,筛选前50个差异基因,并绘制前50个差异基因热图(图2)。通过对疾病数据库的检索,筛选出抑郁症靶点有1630个。其中有310个共同靶点与抑郁症有关,20个越鞠丸特有靶点和52个柴胡疏肝散特有靶点与抑郁症有关。再运用String工具绘制共有抗抑靶点网络作用图(图3),有309个节点和5293条边。越鞠丸特有抗抑靶点作用图有10个节点和11条边(图4)。柴胡疏肝散特有抗抑靶点作用网络(图5)有47个节点和160条边。
图2. 前50个差异表达基因热图
图3. 共有靶点作用网络图
图4. 越鞠丸特有抗抑靶点作用网络图
图5. 柴胡疏肝散特有抗抑靶点作用网络图
在网络评价参数中,如果一个节点具有高连接度数和高节点中心度,那么,可能表明该节点在整个网络中具有重要影响。在对共有抗抑靶点PPI图分析中,度较高的四个是NS、ALB、BDNF、IL6。共有抗抑靶点PPI中前10靶点拓扑分析见表2。此外,运用ClusterViz中的MCODE算法进行分析,其中有6类模块的score > 4,这6类不同模块对应的参数如表3所示。
在越鞠丸特有抗抑靶点PPI中,度较高的是REN、SCNN1A、SCNN1G、SCNN1B与ESR1。在柴胡疏肝散特有抗抑靶点PPI中,度较高的是AKT1、MAPK1、EGF、HRAS与MPO。
编号 | 基因 | 连接度 | 介度(介数中心性) |
---|---|---|---|
1 | INS | 158 | 0.0851 |
2 | ALB | 135 | 0.0528 |
3 | BDNF | 130 | 0.0440 |
4 | IL6 | 118 | 0.0256 |
5 | FOS | 110 | 0.0236 |
6 | TP53 | 99 | 0.0261 |
7 | TNF | 96 | 0.0173 |
8 | TAC1 | 87 | 0.0091 |
9 | IGF1 | 87 | 0.0089 |
10 | TH | 87 | 0.0167 |
表2. 共有抗抑靶点的拓扑分析(前10)
编号 | 模块 | 打分 | 点 | 边 |
---|---|---|---|---|
1 | 22.407 | 60 | 855 | |
2 | 19.417 | 49 | 586 | |
3 | 9.529 | 35 | 174 | |
4 | 6.667 | 22 | 70 | |
5 | 5.917 | 25 | 101 | |
6 | 5.667 | 7 | 17 |
表3. 越鞠丸和柴胡疏肝散6个模块分析
每一个模块对应的基因数目为60、49、35、22、25和7。其中第三模块和第六模块暂不对应相应通路,运用DAVID在线平台对每一个模块进行相关通路分析。其中发现不同模块之间也有相同通路,如Calcium信号通路、神经活性配体–受体相互作用和细胞缝隙连接等。而这些通路都已经证明与抑郁症的发病机制相关 [
编号 | 模块 | 通路 |
---|---|---|
1 | NR3C1, GHRH, IL13, FOXP3, HTR2A, ADRB3, ADRA1D, ADIPOQ, HTR7, CALCA, ADRA1B, VCAM1, ESR1, SLC18A3, DRD1, ACHE, SLC6A2, ADRA1A, CHRNA4, FOS, SIRT1, IGF1, ADRB1, NOTCH1, IL6, SOD1, CAT, TGFB1, HTR3A, FASLG, ADORA2B, MIF, ADRB2, EPO, FGF2, OPRK1, DRD5, MAOB, OXT, BDNF, ICAM1, PPARG, SOD2, TAC1, HRH2, LEP, HMOX1, MAP2K1, TAAR1, APOE, IL1RN, TLR3, IDO1, PTGS2, MTOR, TNF, CRP, ALB, HTR6, SELP | Neuroactiveligand-receptor interaction、Calcium signaling pathway、Pathways in cancer、 Cytokine-cytokine receptor interaction、MAPK signaling pathway、Prion diseases、 Toll-like receptor signaling pathway、Vascular smooth muscle contraction、Adipocytokine signaling pathway、Hypertrophic cardiomyopathy (HCM)、Gap junction、Graft-versus-host disease、Dilated cardiomyopathy、Tryptophan metabolism |
2 | ADORA1, CHRM2, F2, HTR1A, AGTR2, DRD3, TH, KISS1, DDC, AVPR1A, CNR2, AVP, DBH, PLCB1, ADRA2A, ADRA2C, CCL2, DRD4, IL4, AGTR1, MAOA, HRH1, IL1B, SLC18A2, PF4, HTR1B, IL10, HTR2C, ENSG00000196689, IFNG, PIK3CA, OXTR, PIK3R1, GRM7, COMT, CRH, CHRM4, TACR2, TP53, CHRM1, HTR1D, OPN4, CHRM5, HRH4, DRD2, AGT, SLC6A4, CHRM3, HTR2B | Neuroactive ligand-receptor、Calcium signaling pathway、Tyrosine metabolism、Regulation of actin cytoskeleton、Renin-angiotensin system、T cell receptor signaling pathway、Apoptosis、Allograft rejection、Gap junction、Jak-STAT signaling pathway |
3 | GRIA4, HTR3B, GRIA3, DNMT1, GNAS, FGFR2, CACNG2, NRXN1, NLGN1, MYOD1, PDGFB, GRIA1, GRIN1, GSR, HOMER1, SHBG, NOS1, SLC1A3, IGF2, SLC17A7, ESR2, CYP19A1, SHH, GABRB2, SLC6A3, EDN1, CAMK2G, GRIN2D, GRIN2C, GRIN2B, SNCA, CACNA1C, RET, GRIA2, BMP4 | |
4 | NEFL, CACNA1A, GABRB3, GABRA1, GABRG2, KCNE1L, GRIN2A, KCNA1, KCND3, GABRG3, ABCC9, FMR1, PDE4B, PDE4D, CACNA1H, KCNJ5, SCN2A, DLG4, GABRA3, CACNA1G, HTT, HOMER2 | Neuroactiveligand-receptor interaction、Calcium signaling pathway |
5 | HCRT, GHRL, BCHE, IL5, LTA, NGF, COL1A1, ADORA2A, CNTF, BMP2, MC4R, MAPT, CRHR2, CCL5, NGFR, AR, CNR1, INS, CALB1, ADRA2B, KIT, SOX9, ACE, PPARA, APOA1 | Calcium signaling pathway、Neuroactiveligand-receptor interaction |
6 | KCNH2, KCNQ1, SCN5A, KCND2, SCN1B, SCN8A, ANK3 |
表4. 共有抗抑靶点的通路分析
同样运用DAVID分析得出,越鞠丸潜在抗抑靶点的代谢通路有:醛固酮调节的钠重吸收信号通路(15.00%)、味觉转导信号通路(15.00%) (图6)。柴胡疏肝散潜在抗抑靶点的代谢通路排在前面的有:癌症通路(25.00%)、ErbB信号通路(17.31%)、MAPK信号通路(15.38%)等(图7)。该结果表明越鞠丸和柴胡疏肝散的活性成分可能通过作用于这些特有靶点影响信号通路来达到抗抑郁的效果。
在临床中发现 [
图6. 越鞠丸潜在抗抑靶点的KEGG分析
图7. 柴胡疏肝散潜在抗抑靶点的KEGG分析
我国一系列针对越鞠丸治疗抑郁症的研究显示,越鞠丸中大部分药物组分包括香附、苍术、川芎、栀子都具有抗抑郁的效果 [
综上所述,本研究通过网络药理学和生物信息学数据挖掘技术分析越鞠丸和柴胡疏肝散作用抑郁症的机制。从“同病”的角度来说,两种方剂存在相同抗抑靶点,如INS、ALB、BDNF、IL6、FOS等。这些靶点很可能在其生物通路具有发挥抗抑郁的作用。同时“异治”是由于在每一种方剂当中,又有其特有抗抑靶点所在的生物通路来发挥作用。越鞠丸中的SCNN1G、SCNN1B、SCNN1A蛋白所在的味觉转导信号通路、醛固酮调节的钠重吸收等信号通路发挥抗抑郁的机制。柴胡疏肝散中的AKT1、HRAS、MAPK1蛋白所在的癌症通路、ErbB信号通路等通路发挥抗抑郁的机制。综上,在对越鞠丸和柴胡疏肝散的研究当中,确实能够有效揭示“同病异治”的科学内涵,同时上述所显示的一些靶点所在的生物通路已在相关文献当中证实了其抗抑郁的作用。但由于在筛查靶点的过程中,存在一些成分所对应的靶点过少,导致对研究结果会有一定的限制,所以今后需进一步探讨相关靶点的作用机制来更好地阐释两者抗抑郁的作用。现在发现中药的多成分多靶点的特点与网络药理学多靶点–多途径的研究方法十分切合,所以用网络药理学来研究中药作用机制是一种逻辑性科学性强的选择。同时结合生物信息学、R语言及其数据挖掘方法,筛选疾病表达的差异基因,找到疾病靶点,预测药物作用疾病通路,再构建可视化的计算机网络图,可以更好地分析疾病与药物之间的紧密关系。本研究通过采用网络药理学和生物信息学的信息挖掘技术,对越鞠丸和柴胡疏肝散的化学成分和靶点进行了大量信息整合筛选和预测,通过对靶点和通路的分析初步阐明“同病异治”抑郁症的作用机制,最终以可视化蛋白质互作网络的形式呈现越鞠丸和柴胡疏肝散“同病异治”的作用机制,可用于后续研究的参考。基于网络药理学和生物信息学数据挖掘探索中药作用疾病机制也为今后深入研究中药方剂“同病异治”的作用机制研究提供了一个新的思路与方法。
成都中医药大学科技发展基金(ZRQN2020001);四川省青年科技创新团队项目(19CXTD0055)。
黄志航,刘文雯,钟 馨,木本荣,王冬梅,国锦琳. 探析越鞠丸和柴胡疏肝散“同病异治”抑郁症的作用机制Analysis of Antidepressant Mechanism of Yueju Pill and Chaihu Shugan Powder in Treating Depression with “the Same Disease with Different Treatments”[J]. 中医学, 2021, 10(01): 1-13. https://doi.org/10.12677/TCM.2021.101001