基于生物信息数据库探讨山药的营养功能及作用机制

安 莉，秦冬梅，马婧玮，郑尊涛，廖先骏，吴绪金*

（1 河南省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所 郑州450002 2 农业农村部农药检定所 北京100125）

山药（Dioscorea oppositathunb）为薯蓣科（Dioscoreaceae）植物薯蓣的地下块茎，是我国重要的药食同源植物资源，广泛种植于河南、河北、山东、山西和陕西等地区[1]。山药中不仅含有丰富的氨基酸、有机酸和糖类等营养成分，还含有山药素、甾醇、尿囊素和类黄酮等多种功能成分，这使得它同时兼有食用价值和药用价值[2]。山药具有“补虚赢、除寒邪热、补中益气力、长肌肉、久服耳目聪明、轻身不饥、延年”等功效[3]。当前对山药的研究主要集中在对其所含有的某一个或某一类成分的分离提取[4-7]、含量测定[8-10]、体外细胞试验[11-12]以及动物实验[13-15]等方面。然而，山药作为食品整体，对人体机体产生的系统性影响研究尚不够明确，山药的关键功效和营养价值也没有精准定位，这些都严重阻碍着山药营养功能的深入开发和利用。明确山药营养功能定位，探讨其对人体的作用机制具有重要的意义。

目前，在药食同源食品的营养功能上缺乏有效的研究手段来进行系统性预测。近年来，基于系统生物学和计算机技术发展起来的系统生物信息学[16-17]，将研究对象作为一个完整的系统，通过各种生物信息学数据库提取相关的信息，从分子层面预测并定位出相应研究对象的作用机制，不仅能够节约盲目试验的成本，还可以预测药食同源食品的营养功能和作用机制，这为药食同源食品的功能定位研究提供了新的方法和思路。本研究基于生物信息数据库，通过生物信息学进行数据分析和挖掘，探讨山药营养药理功能及作用机制，以期为山药作为药食同源食品的功能开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 山药中所含化合物的信息获取

山药作为药食同源食品，通过中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP，https：//tcmspw.com/tcmsp.php），以“山药”为关键词进行检索，获得山药中所含的化合物部分信息，再结合Pub-Chem 数据库[18]（https：//pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）获取山药中所含化合物的相关信息。

1.2 山药中所含化合物的潜在靶点基因的获取

以所收集到的山药中所含化合物为研究对象，在TCMSP 数据库分别检索每一个化合物对应的潜在作用靶点。为了便于后续的分析，将所获得的靶点名称，通过UniProt 数据库（https：//www.uniprot.org/）转换成相应的基因名称，形成每一个化合物和所对应靶点基因之间的关系，为后续网络分析做准备。

1.3 关联网络的构建和分析

利用Cytoscape（版本号：3.7.2）网络可视化软件绘制出山药-化合物-靶点网络，通过其中的Network Analyzer 工具对网络关系进行分析，获得相关网络参数信息。

1.4 蛋白质相互作用网络的构建和分析

在String 数据分析平台（https：//string-db.org/）上对潜在靶点基因进行蛋白质-蛋白质相互作用分析，构建相应的网络，并进行网络中相关参数分析。

1.5 靶点基因的通路分析

利用R 程序语言软件（版本号：3.6.1）中Cluster Profiler 软件包对所得到的潜在靶点基因进行京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）通路富集。

2 结果与分析

2.1 山药中所含化合物数据库的构建

基于TCMSP 和PubChem 生物信息平台整合出山药中66 个化合物的相关信息，包括分子ID、中文名称、英文名称、分子式、相对分子质量和化合物CID 等，具体信息见表1。

表1 山药中化合物信息Table 1 Components information of Dioscorea opposita thunb

（续表1）

2.2 山药-化合物-靶点网络的构建和分析

将山药中所含化合物的潜在靶点转换成基因名称后，去除重复基因，共得到131 个与山药化合物相关的靶点基因，利用Cytoscape 平台分析，构建出山药-化合物-靶点网络，如图1所示，山药中所含化合物中的37 个化合物与131 个靶点间有相互联系。经过网络拓扑分析可知，包括山药、化合物和靶点在内，节点数目（Number of nodes）为169 个，平均相邻节点数（Average number of neighbors）为5.231。节点的颜色由橙红到天蓝所对应的节点度（Degree）值由大到小，节点度值越大表明该化合物作用的靶点越多。网络拓扑分析（图2）展示了节点度值排名在前11 名的化合物，依次为MOL000050 甘氨酸、MOL000042 丙氨酸、MOL000449 豆甾醇、MOL000065 天冬氨酸、MOL003969 丝氨酸、MOL000041 苯丙氨酸、MOL000322 海风藤酮、MOL003971 苏氨酸、MOL000546 薯蓣皂苷元、MOL000056 酪氨酸和MOL000052 谷氨酸。上述11 个化合物可能为山药中潜在的发挥功效的重要化合物群。

图1 山药-化合物-靶点网络Fig.1 Dioscorea opposita thumb-compound-target network

图2 山药-化合物-靶点网络中排名前11 位化合物的节点度值图Fig.2 Degree graph of the top 11 compounds in the Dioscorea opposita thumb-compound-target network

2.3 山药中所含化合物作用的靶蛋白的相互作用网络分析

由图3 可知，蛋白与蛋白间是通过复杂网络共同协调来系统发挥作用的。图中节点数越大表明其节点度值越大。网络拓扑分析发现（图4），节点度值排名前11 名依次为过氧化氢酶（CAT）、白细胞介素6（IL6）、乳酸脱氢酶B（LDHB）、乳酸脱氢酶A（LDHA）、谷草转氨酶2（GOT2）、丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT2）、血管内皮生长因子A（VEGFA）、丝氨酸羟甲基转移酶1（SHMT1）、丙糖磷酸异构酶1（TPI1）、单胺氧化酶A（MAOA）和磷脂酶C（PC），这些靶蛋白可能为山药发挥营养功能的潜在关键靶蛋白。

图3 山药中所含化合物的潜在靶点蛋白相互作用网络Fig.3 The protein interaction network of the potential targets of compounds containted Dioscorea opposita thumb

图4 山药中化合物的关键靶蛋白节点度值图Fig.4 Degree graph of key target proteins of compounds containted Dioscorea opposita thumb

2.4 靶蛋白的KEGG 通路分析

为阐明山药发挥营养功能的作用机制，进一步对山药中所含化合物的潜在靶蛋白的KEGG 通路进行富集分析。以P值、调控基因通路的基因数目（Count）和基因比值即位于该KEGG 通路条目上的潜在靶点基因与所有位于该通路条目中的注释基因总数比值，且基因比值越大，表明该通路上富集的程度越大。图5 为富集得到的与营养功能相关的前10 条主要KEGG 通路，富集程度由大到小，分别为神经活性配体受体相互作用（Neuroactive ligand-receptorinteraction）、碳 代 谢（Carbon metabolism）、氨基酸的生物合成（Biosynthesis of amino acids）、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（Glycine，serine and threonine metabolism）、精氨酸和脯氨酸代谢（Arginine and proline metabolism）、糖酵解/糖异生（Glycolysis / Gluconeogenesis）、丙氨酸，天门冬氨酸和谷氨酸代谢（Alanine，aspartate and glutamate metabolism）、丙酮酸代谢（Pyruvate metabolism）、酪氨酸代谢（Tyrosine metabolism）和精氨酸生物合成（Arginine biosynthesis），相关KEGG 通路对应潜在的靶点基因如表2所示。

图5 KEGG 通路富集的气泡图Fig.5 Bubble chart of KEGG pathway enrichment

表2 KEGG 通路中富集的潜在靶点基因Table 2 Potential target genes enriched in KEGG pathway

3 讨论

生物信息数据库逐渐开始被学者应用于食品科学领域。刘方等[19]利用网络药理学的方法分析并预测了了柿果中16 个化合物潜在的作用靶点和信号通路。李娜等[20]通过构建“木瓜化合物-靶点-通路网络”，从分子水平解析了木瓜的作用机制。这些方法的应用为食品科学提供了新的研究方法和思路。为了更好地明确山药的营养功能和作用机制，本文利用生物信息学方法对生物信息数据库进行了山药功能定位和机制探讨。

对山药-化合物-靶点网络的分析发现，节点度值排名前11 的化合物包含8 种氨基酸，分别为甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、酪氨酸和谷氨酸；此外还含有植物甾醇1个，为豆甾醇；木脂素类1 个，为海风藤酮；甾体皂苷元1 个，为薯蓣皂苷元，这些物质可能是山药发挥营养作用的重要化合物。氨基酸作为对生命机体营养、生存和发展有重要作用的物质，不仅在机体信息传递和物质代谢调控方面起着重要的作用，而且现代研究也发现其有着重要的营养功效，例如有研究就发现甘氨酸能够缓解脂多糖刺激导致的肠道能量代谢紊乱[21]，改善糖尿病大鼠的氧化应激损伤[22]，缓解烧伤后大鼠心肌有氧代谢[23]。植物甾醇中的重要组成豆甾醇，营养价值高、生理活性强，在抗氧化、抗炎、抗肿瘤以及降低血液中胆固醇含量等方面都有重要作用[24]。有研究表明，海风藤酮可抑制炎症介质、减轻自由基损害，缓解急性胰腺炎大鼠的病理症状[25-26]。薯蓣皂苷元的药理作用研究表明，其不仅能够通过调整多种细胞细胞信号通路发挥抗癌作用，还具有免疫调节、抗氧化、抗炎、以及调血脂等活性[27-28]。可见，山药中靶点最多的化合物在抗氧化、抗炎、调控机体免疫等方面均发挥着重要的营养功能。

山药中所含化合物的潜在作用靶蛋白的蛋白质相互作用网络分析结果表明，CAT、IL6、LDHB、LDHA、GOT2、SHMT2、VEGFA、SHMT1、TPI1、MAOA和PC 在网络中节点数最多，其中的CAT 和IL6节点数均在30 以上。CAT 作为机体中重要的抗氧化酶，能够清除过量的过氧化氢，防止膜脂过氧化，减缓生物体内与细胞凋亡、细胞衰老、炎症反应和肿瘤形成等相关的应激反应，在抗氧化防御系统中的发挥着防御作用[29-30]。IL6 是调节宿主免疫应答、炎症、血细胞生成和癌发生的多效细胞因子，作为免疫调节因子，功能广泛，与中性粒细胞的分化、凋亡以及单核巨噬细胞表面受体表达等密切相关，其水平的升高与类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、胰岛素依赖性糖尿病等自身免疫疾病的发展密切相关[31-32]。

在KEGG 通路中富集基因最多的是神经活性配体受体相互作用通路，该通路中的基因与学习、记忆、情绪、内分泌和生理节律调节等密切相关。有研究报道敲除CHRM1和CHRM3基因会降低快速眼动睡眠期的睡眠水平，引起记忆减退并不再做梦[33]。Jones 等[34]发现CHRM2基因可能影响人的脑活动和智力加工。另外，有6 条氨基酸合成及代谢相关的通路上富集基因也较多，这可能与山药-化合物-靶点网络找出的重点化合物中有8个是氨基酸类相关。与氨基酸的合成及代谢密切相关的糖酵解/糖异生和丙酮酸代谢2 个通路上富集基因也较多，由此可见氨基酸相关通路在山药发挥营养功能上发挥着重要作用。

4 结论

本研究基于山药现有化合物和相关靶点生物信息数据库进行了山药营养功能分析和作用机制探讨，构建了山药-化合物-靶点网络、靶点蛋白之间相互作用网络以及KEGG 通路富集分析，结果均显示出山药具有潜在的抗氧化、抗炎、调节自身免疫及神经系统等功效。研究系统揭示了山药多成分、多靶点、多途径综合发挥作用的特征，为整体把握山药的营养功能和作用机制研究提供了新的思路，也为山药作为药食同源食品的功能开发提供了科学依据。