从生物信息与网络药理角度认识姜黄素治疗膝骨关节炎的分子机制

背景:姜黄素是由中药姜黄中提取的一种植物多酚,可用于治疗膝骨关节炎,但具体机制尚不清楚。目的:基于生物信息学和网络药理学初步分析姜黄素治疗膝骨关节炎的分子机制,为膝骨关节炎的治疗提供新的研究方向。方法:通过中药系统药理学数据库及分析平台(TCMSP)数据库、蛋白质-化合物作用网(STITCH)数据库、Drugbank数据库、SEA数据库、SwissTargetPrediction数据库、药物靶标的蛋白质数据库(Binding DB)预测姜黄素的相关作用靶点,再结合基因表达数据库(GEO)公共数据库中关于姜黄素的相关芯片,使用GEO2R在线分析工具分析得到差异基因;同时检索治疗靶点数据库(TTD)、人类孟德尔遗传病(OMIM)数据库、DisGeNET数据库、Drugbank数据库和GeneCards数据库获得膝骨关节炎相关疾病靶点,明确姜黄素治疗膝骨关节炎的作用靶点,通过设置degree值得到关键靶点。利用STRING数据库构建药物-疾病共同靶点的蛋白质-蛋白质相互作用关系;并利用R语言对药物-疾病共同靶点进行GO分析和KEGG通路分析;利用IGEMDOCK软件对关键靶点进行分子对接。结果与结论:①通过检索上述药物数据库共获得姜黄素相关靶点339个;检索GEO数据库确定姜黄素相关序列号为GSE10896的芯片,筛选出397个差异基因;②检索上述疾病数据库共获得膝骨关节炎相关疾病靶点1903个,其中典型靶点有AKT1、NFKB1、RELA和IKBKB等;③利用STRING数据库构建129个共同靶点的蛋白质-蛋白质相互作用关系网络图;④GO分析功能富集显示,姜黄素治疗膝骨关节炎的生物学进程主要涵盖DNA结合转录因子、DNA结合转录激活剂活性、RNA聚合酶Ⅱ特异性、内肽酶活性、蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶活性、核受体活性、配体激活的转录因子活性、金属肽酶活性和磷酸酶结合等,信号通路主要表现为PI3K-Akt、MAPK、白细胞介素17、肿瘤坏死因子和缺氧诱导因子1信号通路;⑤分子对接结果显示关键靶点胰岛素样生长因子1受体、雌激素受体、EGFR、CYP19A1与靶蛋白有良好的亲和力;⑥结果证实,姜黄素治疗膝骨关节炎的机制涉及MAPK3、EGFR、雌激素受体1、MDM2、CYP19A1、MAPK14、雌激素受体和胰岛素样生长因子1受体共计8个关键靶点,还涉及PI3K-Akt、MAPK、白细胞介素17、肿瘤坏死因子和缺氧诱导因子1等主要信号通路,各靶点与各通路之间产生的交叉作用,可能会抑制炎症反应和软骨细胞凋亡,从而治疗膝骨关节炎。

Molecular mechanism of curcumin in the treatment of knee osteoarthritis based on bioinformatics and network pharmacology