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药食两用植物高良姜在园林应用上熏风解愠的作用机制初探

2025-05-07 68 上传者：管理员

摘要：为探讨药食两用植物高良姜在园林应用上使人“心旷神怡”即熏风解愠的潜在原因，针对高良姜进行网络数据库的筛选，从网络公共数据库获取高良姜的重要活性成分及其对应分子靶标、情绪低落相关的抑郁障碍分子靶标，然后通过蛋白质互作网络和富集分析预测高良姜重要活性成分的关键靶标和潜在的作用机制，并绘制关键靶标-成分桑基图，筛选出有高潜力的活性成分。结果表明，共获取高良姜熏风解愠的分子靶标200个；蛋白质互作网络提示，高良姜可以通过INS、AKT1和ALB等关键靶标在干预情绪低落相关的抑郁障碍病程中发挥重要作用；富集分析显示，分子靶标在γ-氨基丁酸能突触等通路富集；核心作用成分分析结果显示，高良姜素、白杨素和乔松素等可能是高良姜发挥熏风解愠和排解愁闷作用的关键成分。药食两用观赏植物高良姜可能通过干预γ-氨基丁酸能神经突触的活性起到熏风解愠的作用。

关键词：
γ-氨基丁酸
富集分析
熏风解愠
观赏植物
高良姜
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姜科(Zingiberaceae)属于被子植物门单子叶植物,在全世界范围内有约50属1500余种[1],而我国占有20属216种,主要分布于西南部和东南部省区,以云南､海南､广东和广西居多｡姜科植物因其资源丰富,种类繁多､形态各异､色彩多样而备受欢迎,其中高良姜､生姜､姜黄､砂仁､益智､广西莪术和郁金等更是广为人知[2,3]｡

高良姜(AlpiniaeOfficinarumRhizome)原产广东､广西和海南,为姜科多年生草本植物,具有叶繁枝茂､花型姿态优美､色彩鲜艳､香气四溢､生长管理粗放､适应性强等特点,栽植在树荫､道路边缘､建筑物前以及公园等地,能丰富视觉效果,其芳香气味令人心旷神怡,因此常用于园林绿化工程,在园林景观设计中具有重要价值｡此外,高良姜还具备药食两用的价值,能广泛用于调味品和香料,是许多餐饮品牌火锅､方便面和卤料中香辛调味料的主要原料之一[4],同时,能以根茎入药,温胃止呕､散寒止痛,可用于缓解脘腹冷痛､胃寒呕吐､嗳气吞酸等症状[5],是一味常见中药材｡

基于高良姜已有的研究,本研究利用网络公共数据库已公开的相关数据,筛选重要活性成分和对应的潜在作用靶标,以数据库中烦闷抑郁障碍相关靶标作为参照,进一步筛选与高良姜熏风解愠相关的交叉分子靶标,蛋白互作筛选关键熏风解愠靶标,并富集分析交叉分子靶标的特征,从而解析植物来源的活性成分在干预忧郁烦闷心情中的内在机制,洞察生活中常见植物潜在的药理现象[6],为充分开发利用观赏植物高良姜的价值提供新视角｡

1、方法

1.1植物活性成分和靶标获取

从TCMSP数据库(DL≥0.1且BBB≥-0.3)和TCMIP数据库(ADMETBBB≥-0.3)获取高良姜的活性成分,且在TCMIP数据库获取的活性成分需经过TCMSP数据库校正,去除在TCMSP数据库没有收录的成分｡从TCMSP数据库和TCMIP数据库获取成分的作用靶标,同时在TCMSP数据库获取的成分靶标需经过STRING数据库校正(Organisms:Homosapiens)｡

1.2抑郁障碍靶标获取

通过OMIM､Genecards(relevancescore>1)､Drugbank数据库,以抑郁“depression”为关键词进行检索,从而获取疾病作用靶标｡

1.3蛋白质相互作用网络构建

使用STRING数据库获取高良姜熏风解愠相关靶标的蛋白互作网络,并按照度值筛选核心靶标｡

1.4富集分析

使用基迪奥生物信息云平台对熏风解愠相关靶标进行富集分析,并将富集结果可视化,推断高良姜中熏风解愠关键靶标所关联的重要通路｡

2、结果分析

2.1高良姜活性成分和相关靶标

高良姜及其生长环境如图1A所示,照片于2024年4月份拍摄于湛江市徐闻县｡从TCMSP和TCMIP数据库共获取到高良姜活性成分39种,并获取到上述成分的潜在活性靶标329个,使用Cytoscape3.9.0构建活性成分-靶标图,可视化活性成分和潜在相关靶标及其关系如图1B所示｡

图1高良姜的基本信息

2.2抑郁障碍靶标与高良姜熏风解愠的靶标

通过公共数据库,一共收集到抑郁障碍的靶标有3881个(图2A);以其为参照,使用高良姜的潜在靶标和抑郁障碍的靶标取交集,得到200个高良姜熏风解愠相关靶标,包括AR､GABRA3､SLC6A2､DPP4等关键靶标(图2B),详细的靶标信息如图2C所示｡

图2抑郁障碍靶标和高良姜药效信息

2.3靶标的蛋白质相互作用网络及核心靶标

生物体内活性成分发挥作用往往依赖于蛋白质的相互作用,来参与生物的合成､信号转导､代谢等生物学过程｡为了解析高良姜熏风解愠靶标的交互作用,从而获取发挥最优效果的靶标,本研究针对现有靶标进行蛋白质相互作用解析,从而得到熏风解愠靶标的蛋白质互作网络图,发现这些靶标的蛋白互作存在复杂的机制｡如图3A,网络中节点代表蛋白,边表示蛋白之间的相互作用,已涉及198个节点和5646条边｡根据所构建的蛋白质互作网络图,其节点根据度值(degree)大小呈向心性分布,中心节点最大,向外依次递减,度值最大的10个节点依次是INS､AKT1､ALB､ACTB､IL6､TNF､BDNF､PPARG､PTGS2､ESR1(图3B),推断这10个节点是高良姜发挥熏风解愠作用的核心靶标｡

图3药效靶标的蛋白质相互作用网络

2.4熏风解愠靶标的GO富集分析

为了整合计算熏风解愠靶标在生物学过程发挥的作用,并解析其相关通路机制,本研究针对高良姜熏风解愠靶标采取了不同研究方法的富集分析｡GO富集是从基因层面研究基因本质的,基础是基因序列,因此侧重于基因功能差异层面的分析｡该富集方法从3个主要组件,分别描述基因的分子功能(molecularfunction)､细胞组分(cellularcomponent)､参与的生物过程(biologicalprocess)｡3个主要的组件:基因功能数据库､基因功能分析工具和生物学知识库｡GO富集分析结果显示,药效靶标在投射神经元､GABA-A受体复合物､突触､突触后神经递质受体活性､门控通道活性等神经环路相关的因素中被富集,因此高良姜熏风解愠机制可能与其神经环路高度相关(图4)｡

图4熏风解愠靶标的GO富集

2.5熏风解愠靶标的KEGG通路富集分析

KEGG的富集分析不仅包括基因集,还定义了基因和代谢物之间复杂的相互关系,因此侧重点是通路级别的相互作用,而非单个基因的分析｡KEGG通路富集分析结果显示,药效靶标在神经活性配体-受体相互作用､尼古丁成瘾和GABA能突触等通路上被富集(图5A-C)｡药效靶标在富集率最高的尼古丁成瘾通路上的富集情况如图5D所示,药效靶标主要在GABA和NMDA的突触结构中被富集｡

2.6熏风解愠靶标的Reactome和DO富集分析

Reactome富集分析基于Reactome数据库,是一个开源､数据经过手动筛选和同行评审的通路数据库,包括许多生物信息学数据库交叉引用,从而使得所有结果都有原始文献的支持,包括NCBI､Ensembl､UniProt数据库和PubMed文献数据库等｡Reactome通路富集分析结果显示,药效靶标在GABR异五聚体:GABA将Cl-从细胞外区域转运到细胞质､NPTN结合GABAA受体和NRG2激活的ERBB4通过GABRA1与GABA受体结合等通路上被富集(图6A-B)｡

DO富集分析侧重于对疾病的关联分析,因而会涉及大量系统化的疾病分类和定义｡通过DO分析,可以对这些疾病进行分类和比较,从而有助于理解不同疾病之间的关联和特征,构建疾病之间的关联网络｡DO富集分析结果显示,药效靶标在精神健康疾病､中枢神经系统疾病､神经退行性疾病和脑疾病等因素中被富集(图6C-D)｡

图6熏风解愠靶标的Reactome和DO富集

2.7高良姜的核心作用成分分析

为了进一步筛选高良姜内与熏风解愠高度相关的核心活性成分,本研究整合分析了靶标和成分的具体数据,获取了熏风解愠靶标-核心作用成分桑基图｡结果显示,乔松素､油酸､白杨素和高良姜素是多靶标靶向核心熏风解愠靶标的主要成分,其中高良姜素靶向了最多(4/10)的核心靶标

图7高良姜的靶标-核心作用成分桑基图

3、讨论

高良姜是一种传统中药材,最早出自《名医别录》,药用部位主要为根茎,用于温中散寒､止痛消食｡据以往文献报道,高良姜含超过10种黄酮类有效成分,包括槲皮素(Quercetin)､山柰酚(Kaempferol)､槲皮素-3-甲醚(Quercetin-3-methylether)､异鼠李素(isorhamnetin)､山柰素(Kaempferide)､高良姜素(Galangin)和高良姜素-3-甲醚(Galangin-3-methylether)等[7]｡近年来,随着城市景观生态建设的深入发展,高良姜因其花型姿态美丽而逐渐在城市园林工程中得到广泛的运用,因而其经济价值被大大提高,具备十分可观的市场前景｡值得注意的是,高良姜被用于观赏植物时,其芳香的气味常常能让人缓解紧张情绪和郁闷的心情,本研究称之为“熏风解愠”效果｡该现象在人们日常生活中较为常见,不少人有过类似的体验｡尽管目前关于高良姜有效成分的报道层出不穷,但是尚未有关于此现象的报道,因此本研究通过生物信息学的方法探究高良姜熏风解愠的作用机制,为进一步开发观赏植物高良姜的景观应用提供一定研究基础｡

据流行病学研究显示,全球约有3.5亿人罹患抑郁症,许多抑郁症患者还伴有其他精神疾病,如精神分裂症和孤独症,其主要症状表现为持续的情绪低落紧张[8-9]｡既往研究显示,神经递质在维持大脑兴奋性和抑制性活动的平衡中起着至关重要的作用,而这种平衡恰恰控制着认知功能和情绪反应｡兴奋性信号通常由神经递质谷氨酸携带,刺激神经元并促进神经元活动｡相反,抑制性信号通常由神经递质γ-氨基丁酸(GABA)介导,抑制神经元活动并帮助调节整体兴奋水平[10]｡因而GABA作为大脑中主要的抑制性神经递质,GABA能突触和GABA受体与人体情绪的调控具有直接的关系,并参与学习记忆､运动协调､感觉加工､成瘾行为和昼夜节律等多种重要的大脑功能[11-15]｡高良姜芳香气味能有效缓解低落情绪,其中高良姜素是高良姜芳香气味的主要来源,也是高良姜的主要成分之一｡研究结果显示,高良姜具备多个活性成分和潜在靶标,其中仅与抑郁心情沮丧相关的潜在靶标就有200个｡乔松素､油酸､白杨素和高良姜素是靶向核心熏风解愠靶标的主要成分,其中高良姜素靶向核心熏风解愠靶标占比最大,而通过GO富集分析､KEGG通路富集分析､Reactome通路富集分析和DO富集分析发现,熏风解愠相关靶标与中枢神经系统疾病､神经退行性疾病高度相关,主要富集在GABA介导的GABA能突触通路,这表明了高良姜素可通过靶向核心熏风解愠相关靶标干预并调控GABA受体的生物学功能,进而调控人体情绪｡

综上所述,本研究主要利用生物信息学方法预测了药食两用植物高良姜在园林景观应用上熏风解愠的作用机制,预测了高良姜素和GABA能突触可能在其中起到关键作用,该结果具有较高的可信性｡由于目前实验条件的限制,本研究仍然缺乏基础研究对生物信息学结果的验证,今后将继续开展相关实验,深入探索高良姜的作用机制及相关物质基础,以期更全面阐述高良姜熏风解愠的作用机制｡

参考文献:

[1]章登春.姜科植物在广州市园林景观应用中的调查与分析[D].广州:仲恺农业工程学院,2017.

[3]路国辉,王英强.姜科植物花卉应用现状及开发前景[J].北方园艺,2011(10):82-86.

[4]杜丽霞,姜子涛,李荣.天然调味香料高良姜挥发油的研究进展[J].中国调味品,2012,37(03):22-25.

[5]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:中国医药科技出版社,2020.

[6]李梢,牛明,张博.网络药理学学科的发展与规范[J].中国药理学与毒理学杂志.2023,37(增1):4-5.

[7]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京:科学出版社,1993.

文章来源:周淑瑶,高欢欢,罗伟聪.药食两用植物高良姜在园林应用上熏风解愠的作用机制初探[J].现代园艺,2025,48(13):28-31.