基于网络药理学探讨烟毒成分与肺癌易感基因的关系

何洁，常福厚

(1.内蒙古医科大学 药学院，内蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一医院 药剂科，内蒙古 呼和浩特 010030)

基于网络药理学探讨烟毒成分与肺癌易感基因的关系

何洁1,2，常福厚1Δ

(1.内蒙古医科大学 药学院，内蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一医院 药剂科，内蒙古 呼和浩特 010030)

目的 采用网络药理学方法研究烟毒成分对肺癌易感基因表达的影响，探索其多成分-多靶点-疾病的相互关系。方法 针对香烟烟雾的11个主要烟毒成分，依据PubMed中相关文献知识构建多成分-基因-疾病网络，进而筛选出烟毒成分影响肺癌易感基因表达的共享基因，采用Cytoscape软件建立烟毒成分-共享基因-疾病网络模型。结果 网络分析表明，11个烟毒成分共影响106个肺癌易感基因，其中有57个肺癌易感基因受到11个烟毒成分中至少2个成分的交互影响。结论 本文从基因角度阐明烟毒成分与肺癌的关系，并提示11个烟毒成分对其他疾病易感基因的影响，为今后烟毒成分与肺癌易感基因的关系更细化的研究提供了一定的统计学参考。

网络药理学；烟毒成分；肺癌易感基因

肺癌因其发现晚、病死率高、预后差等特点，成为对人类健康威胁最大的恶性肿瘤之一[1]。研究显示，肺癌的发生和发展由多种原因引起，如基因变异、吸烟、环境污染、职业暴露、民族差异、饮食习惯等均为肺癌的致病因素[1-2]，而其中吸烟与肺癌的关系最为密切[3]。超过80%肺癌的发生与烟草消费有关，但吸烟者中只有不到20%最终发生肺癌，提示肺癌的发生存在个体易感性的差异[4-5]。

我国是世界上最大的烟草生产国和消费国[6]，且据 IARC 预测，至 2025 年我国每年因肺癌死亡人数将达百万[7]。

随着当代医学研究的深入，人们已逐渐认识到肿瘤是多因素诱导、多基因参与的复杂性疾病[8]。从分子水平来看，其发生发展涉及多基因靶点和多条信号通路，药物治疗亦要通过系统的调控生物网络才能起到理想的效果[9]。在基于“整体论”的肿瘤生物学预测和解读模式下，“网络药理学”(Network pharmacology)应运而生[10]。

过去对香烟烟雾毒性的评价集中在单一毒性成分对人体的致癌作用，对多毒性成分之间的相互作用几乎没有研究。已有研究表明，单一化学物质的生物学效应与其在复杂机制中和多种物质联合作用时的生物学效应有很大区别，不同物质之间的拮抗、相加、协同等作用方式影响了单一物质独立作用时的结果[11]。网络药理学可从多成分、多靶点、多疾病相互作用的整体性和系统性出发，采用复杂网络模型分析烟毒成分与肺癌易感基因之间的关系，因此，可以筛选出在烟毒成分影响下与肺癌相关的基因[12-13]。本研究以烟毒成分为载体，运用网络药理学方法，绘制多成分、多靶点与多种疾病间复杂网状关系图，为今后研究多烟毒成分之间的相互作用对肺癌易感性的影响提供一定的参考，以及给吸烟联合基因多态性与肺癌易感性关系的研究提供信息，同时为揭示吸烟通过影响基因致其他疾病的机制提供支撑。

1 方法

1.1 搜索烟毒成分的作用靶点 烟草烟雾中含有约7000余种化学物质，有至少69种为致癌物[6]。1998年，加拿大政府立法修正的Hoffmann名单中的46种烟毒成分得到了医学界和烟草行业的普遍认可[14-15]。根据国际肿瘤研究机构的致癌性评价结果[16]，该名单中的11种烟毒成分为人体1级致癌物，本文即选择这11种烟毒成分进行研究。香烟的主流烟雾中包括气相和粒相2部分，本研究选择的气相的烟毒成分有甲醛(Formaldehyde，FA)和苯(Benzene，PhH)，粒相的烟毒成分有苯并(a)芘(Benzo(a)pyrene，B[a]p)，N-亚硝基降烟碱(N'-nitrosonornicotine，NNN)，4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone，NNK)，2-氨基萘(2-Amino naphthalene)，4-氨基联苯(4-aminobiphenyl, 4-ABP)，砷(Arsenic，As)，镍(Nickel，Ni)，铬(Chrome，Cr)，镉(Cadmium，Cd)。以这些成分和肺癌为关键词，从PubMed 中检索出相关的所有文献(检索范围为2016年9月1日前)，剔除不含靶点信息的文献，从中提取相关靶点信息。

由于检索到的文献中包含了来源于不同物种的基因信息，且存在命名不规范等问题，故需先对基因信息进行标准化。本文使用 NCBI 数据库的基因(Gene)搜索功能，通过输入基因名称并限定物种为人，将检索得到的所有基因校正为其官方名称(Official symbol)，具有多个亚型的基因信息也一并列入。搜索的输入格式为: (Homo sapiens[organism]) AND protein name [protein full name]。经上述数据库检索和转化操作，获取与11个烟毒成分相关的基因信息。

1.2 提取与肺癌有关基因的相关影响因素的信息 从人类孟德尔遗传数据库(截止到 2016 年 9月 1 日)中，搜索与肺癌相关的所有基因，用于比对来源于文献的数据。

1.3 分析烟毒成分-多靶点关系 采用 Cytoscape 软件建立肺癌-基因-烟毒成分网络模型，该网络包括肺癌、基因和烟毒成分3类节点。节点间的连接原则为当烟毒成分靶点与肺癌相关靶点相同时，则将烟毒成分与疾病关联起来。通过建立肺癌-基因-烟毒成分、肺癌-基因-肺癌、烟毒成分-基因-烟毒成分、基因-肺癌-基因、基因-烟毒成分-基因5种连接，构建起完整的网络图。在此基础上，通过网络分析，研究11个烟毒成分的多靶点作用及其潜在的致病途径。

2 结果

2.1 11个烟毒成分的靶点信息统计 从PubMed文献检索的结果中，除2-氨基萘未检出相关文献，得到10个烟毒成分的作用靶点信息见表1。其中NNK的相关靶点数量最多，超过50个；苯并(a)芘和砷的相关靶点数在40～50个；NNN、甲醛和4-氨基联苯的相关靶点数在10个以下。

表1 10个烟毒成分的靶点信息统计

2.2 烟毒成分-相关基因-其他疾病信息的分析 根据PubMed中相关文献检索结果统计，与10个烟毒成分作用于肺癌的相关基因共106个，其中共享基因57个，每个共享基因均受到2个或以上的烟毒成分的影响。按在烟毒成分影响下共享基因出现的频次排序，见表2。其中p53基因与10个烟毒成分有关联，ERK、BCL2、AKT1等基因也与5个或以上的烟毒成分有关联。按共享基因相关疾病的共享基因数排序，排在前10位的疾病。见表3。在这57个受烟毒成分影响的基因中，57个均是肺癌易感基因，同时也影响其他恶性肿瘤。其中还包括24个心血管疾病易感基因和12个慢性阻塞性肺病易感基因等。

表2 共享基因出现的频次排序

表3 共享基因相关疾病与共享基因数排序

2.3 烟草烟雾中11个毒性成分的多靶点作用研究 采用Cytoscape软件建立肺癌-基因-烟毒成分网络，肺癌与基因及11个烟毒成分间的关联关系直观地呈现于图1。经网络分析发现，肺癌易感基因中有57个基因与11个烟毒成分中的至少2个产生关联。

3 讨论

从结果可知，NNK和苯并(a)芘的相关靶点较多、文献数也较多，但靶点/文献较低，说明对这2种成分的研究较为集中，且得到的结果重复率比较高；N-亚硝基降烟碱、甲醛和4-氨基联苯的相关靶点数和文献数均较少，说明现阶段对其关注较少，可以成为我们今后研究的方向。尤其是2-氨基萘与肺癌易感基因的关系至今鲜有报道。

此外，实验结果表明，除2-氨基萘没有检索到相关文献信息，其余10种烟毒成分对基因的调控存在多重的交互作用，涉及多种疾病。有文献报道：铬虽然是一种弱诱变剂，但可以提高多环芳烃绑定在肺组织的p53基因；镍能够显著提高多环芳烃等其他诱变剂的基因毒性和致癌性；镉与苯并(a)芘或其他多环芳烃结合时可协同增强细胞转化；砷和苯并(a)芘可以协同发挥细胞和遗传毒性，增强致癌作用[17-20]。由图1可见，苯并(a)芘与4种重金属均有10个以上的共享基因，结合已有文献报道，可初步推断重金属增强了苯并(a)芘的毒性。与苯并(a)芘和重金属联合作用关系比较密切的基因有p53、AKT1、ERK和BCL2，而这些基因又与小细胞肺癌、银屑病、慢性阻塞性肺病和消化性溃疡这几种疾病密切相关。苯并(a)芘与NNK有19个共享基因，相关研究表明：苯并(a)芘与NNK共同作用时表现出协同致癌作用[21]。从图1可见，苯并(a)芘与NNK的联合作用主要调控：Rb、p53、MYC、FHIT、BCL2、AKT1、PI3K和COX2基因，这些基因与小细胞肺癌密切相关；p21、VEGF、ERK、CASP3、D1与前8个基因的共同作用与心血管疾病相关；BAX和IL6基因的共同作用显示出与风湿性疾病的密切关系。

国家卫生部于2012年发布了《中国吸烟危害健康报告》，系统地阐述了吸烟及二手烟暴露对健康危害的相关问题，从流行病学的角度阐明了烟草烟雾对恶性肿瘤、呼吸系统疾病、心脑血管系统疾病、生殖系统疾病、糖尿病及其他健康问题产生的影响[6]。从表3可见，在受烟毒成分交互影响的57个肺癌易感基因中，57个基因都与其他恶性肿瘤有关联，其中24个基因与心血管系统疾病关联，14个基因是慢性阻塞性肺病的易感基因，本文结果可从基因角度为吸烟危害健康这一问题佐证。

本课题组前期研究结果显示CYP1A1、CYP1B1、GSTM1、GSTT1和VEGF基因的多态性和肺癌的易感性相关[22-24]，从图1可见，网络分析结果与其一致，可进行相互印证。

通过对肺癌-共享基因-烟毒成分网络进行分析发现，11个烟毒成分均作用于多个靶点，呈现出多成分、多靶点、交互作用的特点。网络药理学为分析肺癌易感性提供了全新的角度，可以通过生物学网络中节点的连接和关系来分析网络特性，进一步阐述肺癌的发生机制。烟毒成分影响肺癌的相关基因和基因相关疾病并不是随机的分布在网络中，而是具有靶点分布的特点和一定的规律。这样，我们可以通过网络药理学的研究来寻找和确认靶点，对肺癌的发生机制和易感性研究具有重要的指导意义。本研究通过对肺癌-基因-烟毒成分的分析，为多靶点疾病机制的阐明提供了重要信息，同时表明了吸烟对肿瘤及其他疾病发生的影响，进一步为肺癌等疾病的防治奠定了理论基础。

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(编校：吴茜)

A network pharmacology study of the association between cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility

HE Jie1,2, CHANG Fu-hou1Δ

(1.Department of Pharmacy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, China; 2.Department of Pharmacy, First Hospital of Hohhot, Hohhot 010030, China)

ObjectiveTo investigate the effects of the main harmful components in cigarette smoke on the expression of lung cancer susceptibility genes by use of the method of network pharmacology, and to explore the correlations of multiple targets and multiple components and diseases.MethodsLiteratures about the 11 main tobacco toxic ingredients of cigarette smoke were collected from PubMed and the multicomponent-genes-disease network was structured, and then, shared genes which affect the expression of lung cancer susceptibility were screened out.Then use Cytoscape software to construct the multicomponent-shared genes-disease network.ResultsNetwork analysis showed that 11 main harmful components in cigarette smoke influnce 106 lung cancer susceptibility genes, 57 lung cancer susceptibility genes of which were affected by at least 2 of the 11 components.ConclusionFrom the genetic point of view, the relationship of cigarette smoking and lung cancer was elucidated, and the effect of 11 components on the susceptibility genes of other diseases was also explored.This study may provide some statistical references for further detailed research targeting the relationship of cigarette toxic components and lung cancer genetic susceptibility.

network pharmacology; cigarette toxic component; lung cancer susceptibility gene

10.3969/j.issn.1005-1678.2016.09.046

国家自然科学基金项目(81160406,81260499)；内蒙古自治区自然科学基金项目(2015MS0889)

何洁，女，硕士，药师，研究方向：生化与分子药理学，E-mail：hejie08mail@163.com；常福厚，通信作者，男，教授，硕士研究生导师，研究方向：生化与分子药理学，E-mail：changfh@sina.com。

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