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小檗碱逆转胰岛β细胞去分化机制网络药理学研究

2024-06-20 68 上传者：管理员

摘要：目的基于网络药理学技术探讨小檗碱逆转胰岛β细胞去分化的潜在作用机制。方法借助GeenCards数据库筛选小檗碱干预靶基因及胰岛β细胞去分化的相关基因，使用R软件VennDiagram数据包进行交互分析，利用Cytoscape 3.6.1软件进行小檗碱-胰岛β细胞去分化靶点网络构建，建立药物-疾病共同靶点的相互作用网络，运用R软件ClueGO插件对上述信息进行注释，并进行KEGG通路富集分析。结果本研究共获得小檗碱作用靶点245个，其中与胰岛β细胞去分化相关的有193个，KEGG通路富集分析显示小檗碱干预胰岛β细胞去分化涉及的主要信号通路有PI3K-Akt信号通路、FoxO信号通路、AMPK信号通路及Insulin信号通路等。结论小檗碱可能通过多靶点参与胰岛β细胞去分化的调节，并通过调控FoxO、PI3K-Akt、AMPK以及Insulin信号通路等途径发挥逆转胰岛β细胞去分化的作用。

关键词：
作用靶点
信号通路
小檗碱
网络药理学
胰岛β细胞去分化
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糖尿病(diabetes mellitus, DM)是常见的慢性代谢性疾病，其中超过90%为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)。T2DM及其伴发的各系统相关并发症具有较高的死亡率和致残率，给人类健康造成极大威胁。因此，如何治疗和预防DM成为世界各医疗团队的研究重点。美国哥伦比亚大学的Accili团队率先在动物实验中提出胰岛β细胞功能衰退与胰岛β细胞的“去分化(dedifferentiation)”密切相关[1]。后来该团队又在T2DM患者中证实胰岛β细胞存在同样的去分化现象，相关分析还发现，葡萄糖诱导的胰岛素分泌功能与去分化评分(去分化细胞/总内分泌细胞之比)之间呈负相关，提示随着胰岛β细胞去分化程度的升高，胰岛素分泌功能呈现下降趋势[2]。因此，我们有理由相信胰岛β细胞去分化程度与T2DM呈正相关。小檗碱(berberine, BBR)又称为黄连素，化学式为C20H18NO4,最初是从中药黄连中分离出来的一种异喹啉生物碱[3]。研究显示，小檗碱具有显著的降血糖、调脂、降血压、保护心肌、抗炎等生物学作用[4,5],但其对胰岛β细胞去分化的作用机制仍有待进一步研究。网络药理学是基于系统生物学的理论对生物系统进行网络分析，并选取特定的信号节点进行多靶点药物分子设计的新学科。基于以上内容，本研究运用网络药理学及生物信息学的研究方法，通过网络公共数据库检索小檗碱的治疗靶点，结合胰岛β细胞去分化的基因网络，构建小檗碱逆转胰岛β细胞去分化的相关靶点交互作用网络，富集其干预胰岛β细胞去分化的相应信号通路，预测其治疗胰岛β细胞去分化的潜在靶点，旨在为小檗碱逆转胰岛β细胞去分化的机制研究提供思路。

1、资料与方法

1.1 数据来源

使用GeneCards数据库对小檗碱治疗作用相关的靶基因名称进行检索，筛选与小檗碱治疗作用相关的靶基因名称并进行注释。

1.2 胰岛β细胞去分化相关基因的收集

以“Islet of pancreas β-cell dedifferentiation”为关键词，通过GeneCards、OMIM数据库进行检索，筛选其相关的基因，去除重复检索的基因，作为胰岛β细胞去分化的候选靶点基因。

1.3 药物-疾病共同靶点网络构建与通路富集分析

使用R软件VennDiagram数据包，导入小檗碱作用靶点及胰岛β细胞去分化靶点基因数据集，进行交互作用分析，使用Perl软件对得到的共有靶点进行注释，使用Cytoscape 3.6.1软件进行小檗碱-胰岛β细胞去分化靶点网络构建，建立药物-疾病共同靶点的相互作用网络，利用Cytoscape 3.6.1软件中的Clue GO插件对预测出的小檗碱治疗胰岛β细胞去分化的靶基因进行KEGG通路富集分析。

2、结果

2.1 小檗碱中有效化学成分作用靶点及胰岛β细胞去分化相关基因预测及交集

去除重复的有效化学成分及无对应靶点的化学成分，得到小檗碱相关作用靶点245个；筛选去除重复基因，共得到4896个与胰岛β细胞去分化相关的靶点基因；其中小檗碱与胰岛β细胞去分化的共同靶点有193个。见图1、表1。

2.2 小檗碱-胰岛β细胞去分化药效作用靶点之间的相互作用网络

建立药效作用靶点的相互作用网络，发现小檗碱-胰岛β细胞去分化靶点的相互作用关系呈复杂样网络分布，存在多靶点关联性。见图2。

2.3 KEGG通路富集分析

KEGG通路富集分析共得到20条相关通路，结合文献检索及分析，筛选出FoxO信号通路、PI3K-Akt信号通路、AMPK信号通路、Insulin信号通路这4条通路与小檗碱调控β细胞去分化密切相关。结果见表2、图3。

图1 小檗碱与胰岛β细胞去分化共同靶点交集

表1 小檗碱与胰岛β细胞去分化共同靶点

表2 Cytoscape基因互作网络分析结果

图2 小檗碱-胰岛β细胞去分化共同靶点的网络图

图3 KEGG通路富集分析结果

横轴为该通路的差异基因个数，纵轴为富集到的通路描述信息。图中颜色对应p.adjust值(P值校正),从小到大，对应从上到下。

3、讨论

小檗碱是传统中药黄连的主要药效成分。有研究[6]表明，小檗碱可显著降低糖尿病模型大鼠的血糖以及糖化血红蛋白水平，刺激机体胰岛素分泌并改善胰岛素抵抗，同时抑制心肌组织中促炎症和促凋亡蛋白的表达。在糖尿病神经病变大鼠模型中，小檗碱通过调节线粒体合成及自噬等机制增加神经传导速度、改善神经的血液供应、降低痛觉过敏，抑制神经损害及炎症反应[7]。另有分析报道，小檗碱能够在显著降低糖尿病患者糖化血红蛋白、空腹及餐后血糖水平的情况下还具有较好的安全性[8]。因此，小檗碱在临床上被视为治疗T2DM及其相关并发症的重要药物。目前小檗碱被广泛用于T2DM的辅助治疗，进一步阐明其作用机制对于小檗碱的临床应用及进一步开发具有重要意义。

胰岛β细胞“去分化”指的是已经完成分化或部分分化的正常胰岛β细胞丧失了其独特的结构和功能，转化为具有多种分化潜能的内分泌前体细胞，或者分化成胰腺α,δ和PP细胞，从而损失了部分或全部胰岛素分泌的功能。本研究使用GeneCards数据库筛选得到小檗碱作用靶点及胰岛β细胞去分化相关基因，并使用Cytoscape 3.6.1软件等构建小檗碱-胰岛β细胞去分化交互网络，并进行KEGG通路富集分析。结果表明，FoxO信号通路、PI3K-Akt信号通路、AMPK信号通路和胰岛素信号通路等信号通路可能是小檗碱治疗胰岛β细胞去分化的潜在分子通路。胰岛β细胞的分化和去分化过程是由多个特定的基因簇/效应蛋白的激活/抑制以及多种信号通路协调完成的。去分化的β细胞中内分泌祖细胞如神经生成素3(neurogenin 3,Ngn3)、Octamer结合转录因子4(octamer-binding transcription factor 4,Oct-4)、尿皮质素3(urocotin 3,Ucn3)和Nanog在细胞中标记基因表达增加，而肌腱膜纤维肉瘤癌基因A型同系物基因(Mafa)、胰十二指肠同源盒1(pdx-1)、NK6同源框蛋白1(NK6 homeobox 1,Nkx6.1)和其他β细胞标记基因表达降低[9,10]。研究表明，成熟的胰岛β细胞具有一定的可塑性。选择性改变基因表达的水平可以改变成熟的β细胞特性，或者可以将β细胞转化为具有多种分化潜能的内分泌前体细胞或其他内分泌细胞[11,12]。其中，β细胞中的叉头框蛋白O1(FoxO1)含量丰富，且FoxO1是维持β细胞表型和功能的重要转录因子[13]。Talchai等[14]发现从FoxO1基因中剔除的胰腺β细胞显著增加了应激条件下内分泌祖细胞基因的表达，但不再表达胰腺β细胞的标记基因。研究表明，Wnt途径的活性是正常胰腺发育所必需的[15],Wnt途径的激活可诱导小鼠胰岛细胞的增殖[16]。另外通过抑制糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)激活Wnt/β-catenin信号通路和经典的Wnt/β-catenin/TCF信号传导途径可以诱导人胰岛细胞在体外增殖[17,18]。最近研究发现胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)可通过hedgehog-cAMP-PI3K信号通路和上调Pdx-1的表达水平使胚胎干细胞分化为具有分泌胰岛素功能的β细胞[19]。同时，已有研究证实GLP-1可以促进β细胞的增殖，抑制β细胞的凋亡，促进胰岛素的合成和释放，并促进细胞分化[20]。结合本研究结果，推测小檗碱可能通过FoxO信号通路、PI3K-Akt信号通路、AMPK信号通路、Insulin信号通路等通路参与小檗碱调控β细胞去分化，从而起到治疗T2DM的作用。

本研究基于网络药理学探究小檗碱逆转胰岛β细胞去分化的潜在作用靶点及作用机制，为小檗碱逆转胰岛β细胞去分化的机制研究提供了研究思路。同时本文筛选出的小檗碱相关作用靶点和抗胰岛β细胞去分化的靶点和通路，为胰岛β细胞去分化的新药研究和临床治疗提供参考。

文章来源:马钟丹妮.小檗碱逆转胰岛β细胞去分化机制网络药理学研究[J].中西医结合研究,2024,16(03):199-203.