一篇结合代谢组学、网络药理学和分子对接研究单体作用机制的6分SCI论文全文解析
本期分享一篇中南大学今年发表在Computational and Structural Biotechnology Journal 杂志（影响因子6.018)上的论文《结合代谢组学和网络药理学揭示羟基红花黄色素A抗急性颅脑损伤的机制》。
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外伤性脑损伤(Traumatic brain injury，TBI)已成为世界范围内导致死亡、发病和残疾的主要原因。羟红花黄A (hydroxysafflor yellow A，HSYA)是治疗脑外伤的有效药物，但其潜在机制有待进一步研究。
此研究的目的是通过代谢组学和网络药理学相结合的综合策略揭示HSYA抗急性脑外伤的机制。建立控制性皮质冲击(controlled cortical impact, CCI)大鼠模型，评估神经功能。采用脑组织代谢组学方法鉴定差异代谢物，代谢分析工具富集代谢通路。然后，应用网络药理学方法，挖掘出HSYA抗脑外伤的潜在靶点。用Cytoscape构建代谢组学与网络药理学的集成网络。最后，对得到的关键靶标进行分子对接验证。
研究发现，HSYA能减轻脑外伤的神经功能障碍，且15种潜在的重要代谢物参与了HSYA对急性脑外伤的治疗作用。这些代谢物大部分在HSYA治疗后被调节恢复。根据网络药理学，发现了10个中枢基因，这与代谢组学的发现部分一致。进一步的综合分析集中于4个关键靶点，包括NOS1、ACHE、PTGS2和XDH，以及它们相关的核心代谢产物和通路。分子对接显示关键靶点与HSYA具有较高的亲和力。在皮质和海马区域特异性代谢改变被阐明。
本研究揭示了HSYA抗急性脑外伤的复杂机制，提供了一个新的范式，以确定从天然化合物衍生的药理作用的潜在机制。
一、研究路线
研究路线见图1。 通过脑组织代谢组学分析HSYA抗TBI的机制(第1部分)，通过网络药理学提取Hub基因(第2部分)，根据第1部分和第2部分鉴定关键代谢产物和靶点并进行关联。通过分子对接(第三部分)进一步验证关键靶点。
二、药效学实验：HSYA治疗可改善CCI大鼠的神经功能障碍
对CCI大鼠用药第0、1和3天神经行为评分(A)和体重变化(B)，显示HSYA治疗可改善CCI大鼠的神经功能障碍（图2）。
三、 代谢组学实验：HSYA治疗可以减少代谢紊乱
应用1260 infinity高效液相色谱(Agilent, CA, USA)和Q-Exactive MS/MS (Thermo, MA, USA)进行代谢组学实验。
设定阈值为VIP > 1和q < 0.05，第1天和第3天，假手术组和CCI组皮层中分别识别到26和33个差异代谢物; HSYA组和CCI组在第1天和第3天分别识别到18和25个差异代谢物。第1天和第3天，sham组和CCI组海马中分别有18和15个差异代谢物; HSYA组和CCI组在第1天和第3天分别有22和25个差异代谢物。
Fig4C, D显示，在CCI组发生改变的代谢物，在HSYA组大部分发生了逆转，说明HSYA治疗可以减少代谢紊乱。
将HSYA处理后在皮层和海马中差异表达的代谢物分别输入MetaboAnalyst分析，得到影响的通路见图5。
四、网络药理学分析：识别关键代谢物、通路和靶标
首先用BATMAN-TCM平台对HSYA进行初步分析，发现脑损伤是HSYA治疗的相关疾病之一。此外，在BATMAN-TCM预测发现HSYA的靶标富集了代谢组学分析中的11条通路，其中5条通路受到显著影响（调整后的p值< 0.05）(图5红色字体通路)。验证了代谢组学中通路分析的准确性。
进一步的网络药理学分析的步骤和结果如下：
(1)以 ''traumatic brain injury”为关键词，在OMIM, TTD， TCMSP， genecards数据库搜索TBI的潜在靶点
(2) 用STITCH, SwissTargetPrediction, ChemBL, BATMAN-TCM获取HSYA的潜在靶点
（3）将(1)和(2)的靶点求交集，获得41个基因，这41个基因被看作是HSYA抗TBI的潜在靶点。
（4）用string和Cytoscape 3.7.2构建了41个基因之间的蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络（图6A）。在Cytoscape中使用CytoHubba获得网络的10个枢纽基因（ache, app, ptgs2, gria1, htr3a,nos1, mtor, gsr, maob, htr1b)。
（5）用Cytoscape软件的ClueGO APP识别潜在靶点富集的KEGG通路（图6B) 和GO term(图6C）。
（6）将代谢组学中鉴别出的差异代谢物导入Cytoscape的MetScape App中，构建化合物-反应-酶-基因网络 （图7）。
（7）结合化合物-反应-酶-基因网络、中枢基因、代谢通路，识别关键代谢产物和蛋白质。将HSYA抗TBI的潜在靶点与化合物-反应-酶-基因网络中的基因进行匹配，发现了4个关键靶点，包括NOS1、ACHE、PTGS2和XDH（图7)。关键代谢物、靶标、通路见表2.
四、分子对接：验证关键靶标
用分子对接验证了3个关键靶标ACHE, NOS1, PTGS2与HSYA的结合（图8）。
评论：本文是将代谢组学实验与网络药理学研究结合的一个良好范例。
参考文献：
Teng Li, Wei Zhang, En Hu, Zhengji Sun, Pengfei Li, Zhe Yu, Xiaofei Zhu, Fei Zheng, Zhihua Xing, Zian Xia, Feng He, Jiekun Luo, Tao Tang, Yang Wang,Integrated metabolomics and network pharmacology to reveal the mechanisms of hydroxysafflor yellow A against acute traumatic brain injury,Computational and Structural Biotechnology Journal,Volume 19,2021,Pages 1002-1013。