[논문]네트워크 약리학을 통한 당뇨병성 신병증에서의 황기와 산수유의 활성 성분 및 잠재 타겟 예측

이근현; 이하린; 정한솔; 신상우

doi:10.15188/kjopp.2017.12.31.6.313

네트워크 약리학을 통한 당뇨병성 신병증에서의 황기와 산수유의 활성 성분 및 잠재 타겟 예측
Network Pharmacology: Prediction of Astragalus Membranaceus' and Cornus Officinalis' Active Ingredients and Potential Targets to Diabetic Nephropathy 원문보기

동의생리병리학회지 = Journal of physiology & pathology in Korean Medicine, v.31 no.6, 2017년, pp.313 - 327

이근현 (혜민한의원) , 이하린 (부산대학교 의학전문대학원 신장내과) , 정한솔 (부산대학교 한의학전문대학원 응용의학부) , 신상우 (부산대학교 한의학전문대학원 응용의학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to predict the effects of macroscopic and integrative therapies by finding active ingredients, potential targets of Astragalus membranaceus (Am) and Cornus officinalis (Co) for diabetic nephropathy. We have constructed network pharmacology-based systematic and network methodology by system biology, chemical structure, chemogenomics. We found several active ingredients of Astragalus membranaceus (Am) and Cornus officinalis (Co) that were speculated to bind to specific receptors which had been known to have a role in the progression of diabetic nephropathy. Four components of Am and eleven components of Co could bind to iNOS; two ingredients of Am and six ingredients of Co could docking to cGB-PDE; one component of Am and nine components of Co could bind to ACE; three ingredients of Co with neprilysin; three components of Co with ET-1 receptor; four ingredients of Am and fourteen ingredients of Co with mineralocorticoid receptor; one component of Am and seven components of Co with interstitial collagenase; one ingredient of Am and ten ingredients of Co with membrane primary amine oxidase; one component of Am and four components of Co with JAK2; two ingredients of Am and one ingredient of Co with MAPK 12; one component of Am and five components of Co could docking to TGF-beta receptor type-1. From this work we could speculate that the possible mechanisms of Am and Co for diabetic nephropathy are anti-inflammatory, antioxidant and antihypertensive effects.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

중국에서는 이를 활용한 많은 연구가 나오고 있는 반면, 국내에 출판된 한의학 연구에서는 시스템적, 네트워크적 방법론을 활용한 연구는 드문 편이다. 이에 본 연구에서는 컴퓨터를 활용한 시스템 한의약, 네트워크 한의약 방법론을 통해 당뇨병성 신병증에 유효한 약물을 찾아 거시적이고 통합적인 치료 효과를 예측하고자 한다. 사전 문헌 검색을 통해 만성 신장 질환에서 황기(Astragalus membranaceus)가 효과가 있을 수 있음을 확인하였고⁴⁾, 산수유(Cornus officinalis)가 포함된 육미지황환 역시 당뇨병성 신병증 예방에 효과적이여서⁵⁾, 이 두 약재를 선정하여 거시적이고 통합적인 치료 기전을 예측하고 분석하였다.

제안 방법

네트워크 약리학 방법론을 통해 당뇨병성 신병증에 유효한 약물을 찾아 거시적이고 통합적인 치료효과를 예측하기 위해, 기존문헌에서 만성 신장 질환에 효과적으로 사용되는 황기(Astragalusmembranaceus)와 산수유(Cornus officinalis)를 대상으로 활성성분을 도출하여 그 잠재 타겟을 예측하고 검증하였다. 황기는iNOS, , 5-HT-2A, TGF-b, MAPK 등의 억제를 통한 항산화 효과 및 항염증 효과가 있고, mineralocorticoid receptor 억제로 이수, 혈압 강하 효과가 있어서 당뇨에 기인한 염증을 억제하는 방법으로 당뇨병 성신병증 진행을 늦추고, 산수유는 ACE, neprilysin,cGB-PDE, iNOS 등과 관련하여 혈압강화, 항산화작용, 항염증 작용으로 신장에 도움을 주는 것으로 추정된다.

대상 데이터

5 (Schrodinger, LLC, New York USA)를 이용하여 직접 그렸다. 334종의 한약 성분 중 중복된 것을 제외하고 대사물인 아글리콘을 추가하여 총 342종의 성분을 포함시켰다.
황기, 산수유의 모든 화학성분은 문헌, TCM Integrated Database (www.megabionet.org/tcmid), TCM Database@TAIWAN(tcm.cmu.edu.tw), TCM System Pharmacology (lsp.nwsuaf.edu.cn/tcmsp.php)를 통해 수집하여, 황기에서 70개의 성분, 산수유에서 264개 총 334종의 성분이 검색되었다. 경구 투여시 장내 박테리아에 의해 한약의 글리코사이드(배당체)가 탈당화 되어 당과 당 이외의 성분(아글리콘)으로 보통 대사되기 때문에⁶⁾ 이 대사물 역시 데이터 베이스에 추가하였다.

이론/모형

모든 검증된 유효 성분과 예측된 타겟 단백질 중 당뇨병성 신병증과 유관한 유효성분-타겟을 네트워크로 구성하였는데, 노드(node)는 각각의 유효 성분 또는 타겟 단백질을 뜻하며, 엣지(edge)는 유효성분-타겟 단백질 상호 작용을 뜻한다. 생체 분자간의 상호 작용을 분석, 그래픽화 하기 위한 오픈 소스 프로그램인사이토스케이프 3.4 (http://www.cytoscape.org)를 이용하여 모든네크워크 작업을 수행하였다.
총 인체 경구 흡수의 강도 역시 상, 중, 하 3단계로 나타내었는데, 인체경구 흡수도, 대사물의 개수, 회전가능 결합(rotatable bond), logP, logS, 세포 삼투성 등을 고려하여 흡수 강도를 계산하였다. 이를 위해 Canvas 2.7(Schrodinger, LLC, New York USA)를 이용하였으며, 이 소프트웨어는 미국 예일대의 William L. Jorgensen 교수의 모델을 기초로 하고 있다. 물 용해도, 위장관 인체경구 흡수도를 포함한 총 인체경구 흡수도 중, 상 이상을 분석 대상 성분으로 선정하였다.
타겟 예측을 위해 화학적, 유전학적, 약물학적 정보를 이용하여 랜덤 포레스트 (Random forest, RF) 방식과 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 방식을 이용, 이를 만족하는 후보물질과 타겟을 찾았으며, 이는 유씨 모델⁸⁾을 기초로 하였다. 랜덤 포레스트 예측 모델은 Leo Breiman에 의해 발전된 방법으로 https://www.

성능/효과

황기 및 산수유와 결합 가능한 당뇨병성 신병증 타겟 단백질은 13종이였으며, 유효 성분은 168종으로 총 181노드였고, 그 외 단백질간 작용 및 경로 노드가 22개였다. 그 각각을 분석해 보면 iNOS(P35228, UniProt ID) 와 관련하여 황기의 4개 성분, 산수유의 11개 성분, 총 15개 성분이 결합하였고,cGB-PDE(O76074)는 황기 2개, 산수유 6개 총 8개 성분,ACE(P12821)는 황기 1개, 산수유 9개 총 10개 성분,neprilysin(P08473)는 산수유 3개, 총 3개 성분, ET-1receptor(P25101)는 산수유 3개, 총 3개 성분, mineralocorticoidreceptor(P08235)는 황기 4개, 산수유 14개 총 18개 성분,interstitial collagenase(P03956) 황기 1개, 산수유 7개 총 8개 성분, membrane primary amine oxidase(Q16853)는 황기 1개, 산수유 10개 총 11개 성분, Angiotensinogen(P01019)는 황기 1개,산수유 7개, 총 8개 성분, JAK2(O60674)는 황기 1개, 산수유 4개성분 총 5개 성분, MAPK 12(P53778)는 황기 2개, 산수유 1개 총3개 성분, TGF-beta receptor type-1(P36897)는 황기 1개, 산수유 5개 총 6개 성분, 5-HT-2A(P28223)는 황기 26개 성분, 산수유137개 성분 총 163개 성분이 도킹되었다. 혈압과 관련된 타겟은iNOS, cGB-PDE, ACE, neprilysin, ET-1 receptor,mineralocorticoid receptor, angiotensinogen 이고, 활성 산소와 연관된 타겟은 혈압과 관련된 타겟 포함, membrane primaryamine oxidase, MAPK 12, 5-HT-2A 이다.
네트워크 약리학 방법론을 통해 당뇨병성 신병증에 유효한 약물을 찾아 거시적이고 통합적인 치료효과를 예측하기 위해, 기존문헌에서 만성 신장 질환에 효과적으로 사용되는 황기(Astragalusmembranaceus)와 산수유(Cornus officinalis)를 대상으로 활성성분을 도출하여 그 잠재 타겟을 예측하고 검증하였다. 황기는iNOS, , 5-HT-2A, TGF-b, MAPK 등의 억제를 통한 항산화 효과 및 항염증 효과가 있고, mineralocorticoid receptor 억제로 이수, 혈압 강하 효과가 있어서 당뇨에 기인한 염증을 억제하는 방법으로 당뇨병 성신병증 진행을 늦추고, 산수유는 ACE, neprilysin,cGB-PDE, iNOS 등과 관련하여 혈압강화, 항산화작용, 항염증 작용으로 신장에 도움을 주는 것으로 추정된다. 황기와 산수유의 H61, S49, S87, S165, S272 등의 성분이 당뇨병성 신병증에서 항염증 효과, 항산화 작용 및 혈압 강화 작용 등이 있음을 확인 할 수 있었다.
황기는iNOS, , 5-HT-2A, TGF-b, MAPK 등의 억제를 통한 항산화 효과 및 항염증 효과가 있고, mineralocorticoid receptor 억제로 이수, 혈압 강하 효과가 있어서 당뇨에 기인한 염증을 억제하는 방법으로 당뇨병 성신병증 진행을 늦추고, 산수유는 ACE, neprilysin,cGB-PDE, iNOS 등과 관련하여 혈압강화, 항산화작용, 항염증 작용으로 신장에 도움을 주는 것으로 추정된다. 황기와 산수유의 H61, S49, S87, S165, S272 등의 성분이 당뇨병성 신병증에서 항염증 효과, 항산화 작용 및 혈압 강화 작용 등이 있음을 확인 할 수 있었다.

후속연구

산수유는 補益肝腎, 澀精, 斂汗의 효능이 있는데²⁹⁾, ACE,neprilysin, cGB-PDE, iNOS 등과 관련하여 혈압강화, 항산화작용,항염증 작용으로 신장에 도움을 주는 것으로 추정된다. 또한 이와 관련해서는 한의학적 효능과의 연관성을 규명하는 구체적인 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환원주의적 연구 한계로 인해 변화하는 연구 경향은?	환원주의적 연구는 20세기 후반부터 유전자 구성을 비롯한 미해결 생물학적 문제를 밝히는데 많은 공헌을 하였지만, 한 개체의 생명 현상을 설명하는데 한계가 있고, 다양한 구성인자들의 상호작용과 관련된 거시적이며 통합적인 접근에는 제한이 있었다. 이에 종래의 환원주의적 미시적 연구에서 거시적, 통합적, 융합적 패러다임으로 전환되면서 컴퓨터를 이용한 생체 시뮬레이션 모델 구축과 이를 활용한 시스템 생물학, 시스템 약리학, 네트워크 약리학 등이 각광받고 있다3). 중국에서는 이를 활용한 많은 연구가 나오고 있는 반면, 국내에 출판된 한의학 연구에서는 시스템적, 네트워크적 방법론을 활용한 연구는 드문 편이다.
	감초를 허용 투여량을 초과하여 다량 복용하였을때, 나타나는 현상은?	무기질코르티코이드 수용체 (mineralocorticoid receptor)는 알도스테론과 같은 무기질 부신피질 호르몬과 코르티솔과 같은 당질 부신피질 호르몬의 수용체로서, 특히 알도스테론은 나트륨 이온의 재흡수와 칼륨 이온의 배출증가에 관여하여 혈압을 올리는 효과가 있는데22), 이를 저해하는 억제제가 무기질코르티코이드 수용체와 결합하는 부위에 H40, H61, H63, H64, S11, S32, S49, S69,S90, S97, S111, S165, S182, S212, S256, S264, S272, S275가 도킹 가능하였다. 감초를 허용 투여량을 초과하여 다량 복용하였을때, 글리시리진에 의한 알도스테론 분비 과잉과 유사한 위알도스테론증이 발생하는데, 무기질 코르티코이드 수용체와의 결합을 억제하는 상기의 한약 성분이 같이 투여된다면, 감초의 부작용을 줄어들것이고, 이는 군신좌사의 좌에 해당하는 역할을 할 것으로 보인다.
	STAT란?	JAK2는 INF-gamma, IL-3, IL-5, IL-6,IL-10, IL-12 등과 관련이 있다. STAT((signal transducer andactivator of transcription)은 JAK에 이어 핵으로 이동하여 유전자 발현을 조절하는 전사인자이다. 본 연구에서는 H08, S03, S49,S165, S272가 JAK2 억제제 결합부위에 도킹 가능한 것으로 예측되었다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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