基于生物信息学的大花旋覆花素对骨肉瘤作用及其机制的研究

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目的:骨肉瘤是最常见的原发性骨恶性肿瘤之一。现在对于骨肉瘤治疗的标准疗法是手术切除肿瘤,使其具有合适的边缘,配合手术前后的化疗。这种疗法目前已经进入到一个瓶颈,传统化疗药物疗效有限,难以得到突破性进展。近年来,中药提取物对于肿瘤等疾病的治疗效果及其机制是基础研究的热点。我们发现,大花旋覆花素(Britanin),从欧亚旋覆花中提取的倍半萜内酯类分子,具有诱导肝癌细胞凋亡和自噬、抗增殖和抗炎的活性。通过生物信息学分析,并加以生物学实验验证,来探索骨肉瘤发病机制及BRI对骨肉瘤细胞的抑制作用及其机制。方法:1.利用基因表达总览(GEO)数据库中的GSE134603数据集进行分析,探索CDK7抑制剂THZ2作用前后,骨肉瘤细胞差异表达的基因(1)利用R软件软件包“limma Geoquery”和“Bio Conductor”对GSE134603中数据进行差异基因(DEGs)提取和基因ID转换;(2)使用David数据库对DEGs进行GO富集分析,并使用String数据库完成蛋白互作网络(PPI)构建;(3)使用MCODE插件对PPI网络中分子复合物进行筛选,对筛选出的模块结果使用Clue GO插件进行KEGG富集分析;(4)利用Cytohubba插件对差异基因中前30的基因进行筛选,而后与KEGG富集分析中的结果比对,得到4个关键基因:EMG1,IMP3,UTP15和WDR3。2.利用网络药理学方法,对大花旋覆花素分子作用于骨肉瘤时的作用及其可能的机制进行探索。(1)通过Pub Chem数据库,获得大花旋覆花素的三维构图,通过Pharm Mapper、Swiss Target Prediction、SEA、Targer Net数据库,预测大花旋覆花素分子潜在的作用靶点;(2)通过Gene Cards数据库和Drug Bank数据库检索关键词“Osteosarc oma”,得到骨肉瘤细胞的作用靶点;(3)通过Venny2.1.0平台,对大花旋覆花素潜在的作用靶点及骨肉瘤细胞的作用靶点取交集,得到大花旋覆花素作用于骨肉瘤细胞时的作用靶点,导入String(version:11.0)数据库构建蛋白质互作网络(PPI),使用Cytoscape3.7.2软件对PPI图进行可视化处理,使用Cytohubba插件获取10个关键靶点:CASP3、SRC、HRAS、MAPK1、EGFR、ALB、MMP9、IGF1、HSP90AA1、MAPK8;(4)将潜在作用靶点导入David6.8数据库,进行基因本体论(GO)分析和KEGG通路富集分析,对所得结果进行可视化处理。(5)使用Autodock Vina软件对关键靶点及BRI药物分子进行分子对接预测。3.通过体外细胞实验验证网络药理学结果(1)使用CCK-8法检测不同浓度(0,1.25,2.5,5,10,20,40,80,160μM)大花旋覆花素在作用24h后,骨肉瘤U2OS细胞的存活情况;(2)通过划痕实验,验证作用0h,12h,24h后,大花旋覆花素对U2OS细胞迁移能力的影响;(3)通过AO/EB染色实验,探究不同浓度BRI的作用下,骨肉瘤细胞的凋亡情况。结果:(1)我们通过比对,得到4个骨肉瘤治疗前后关键的差异表达基因:EMG1,IMP3,UTP15和WDR3,这4个基因的发现有助于我们进一步认识骨肉瘤发生和发展的分子机制;(2)我们共筛选出137个大花旋覆花素作用于骨肉瘤细胞的潜在作用靶点,富集分析结果表明,BRI对骨肉瘤细胞的作用中,负调控凋亡过程、缺氧反应、调节细胞迁移等生物过程均参与其中,其作用机制与Ras信号通路、Rap1信号通路、PI3K-AKT信号通路、VEGF信号通路、Fox O信号通路等有关;我们筛选出10个关键靶点:CASP3、SRC、HRAS、MAPK1、EGFR、ALB、MMP9、IGF1、HSP90AA1、MAPK8,并对其进行了分子对接预测,显示关键基因与大花旋覆花素小分子结合程度良好。(3)体外细胞实验结果显示,BRI具有明显的抑制骨肉瘤细胞U2OS增殖、迁移能力的作用,随着作用浓度增加,凋亡细胞比例明显增多。结论:本研究通过生物信息学分析及体外细胞实验探索骨肉瘤发病机制及BRI对骨肉瘤细胞的抑制作用及其机制。发现了4个关键基因靶点,并通过实验验证了大花旋覆花素具有潜在的抗骨肉瘤活性。我们的研究有助于进一步了解骨肉瘤发生和发展的分子机制,并为治疗骨肉瘤药物的探索指出了一个新的方向。
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