This study was performed to find antibacterial substances contained in Scutellariae Radix (SR) using a systems pharmacological analysis method and to establish an effective strategy for the prevention and treatment of infectious diseases. Analysis of the main active ingredients of SR was performed u...
This study was performed to find antibacterial substances contained in Scutellariae Radix (SR) using a systems pharmacological analysis method and to establish an effective strategy for the prevention and treatment of infectious diseases. Analysis of the main active ingredients of SR was performed using Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology (TCMSP) Database and Analysis Platform. 36 active compounds were screened by the parameter values of Drug-Likeness (DL), Oral Bioavailability (OB), and Caco-2 permeability (Caco-2), which were based on the drug absorption, distribution, metabolism, and excretion indicators. The UniProt database was used to obtain information on 159 genes associated with active compounds. The main active compounds with antibacterial effects were wogonin, β-sitosterol, baicalein, acacetin and oroxylin-A. Target proteins associated with the antibacterial action were chemokine ligand 2, interleukin-6, tumor necrosis factor, caspase-8,9 and mitogen-activated protein kinase 14. In the future, systems pharmacological analysis of traditional medicine will be able to make it easy to find the important mechanism of action of active substances present in natural medicines and to optimize the efficacy of medicinal effects for combinations of major ingredients to help treat certain diseases.
This study was performed to find antibacterial substances contained in Scutellariae Radix (SR) using a systems pharmacological analysis method and to establish an effective strategy for the prevention and treatment of infectious diseases. Analysis of the main active ingredients of SR was performed using Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology (TCMSP) Database and Analysis Platform. 36 active compounds were screened by the parameter values of Drug-Likeness (DL), Oral Bioavailability (OB), and Caco-2 permeability (Caco-2), which were based on the drug absorption, distribution, metabolism, and excretion indicators. The UniProt database was used to obtain information on 159 genes associated with active compounds. The main active compounds with antibacterial effects were wogonin, β-sitosterol, baicalein, acacetin and oroxylin-A. Target proteins associated with the antibacterial action were chemokine ligand 2, interleukin-6, tumor necrosis factor, caspase-8,9 and mitogen-activated protein kinase 14. In the future, systems pharmacological analysis of traditional medicine will be able to make it easy to find the important mechanism of action of active substances present in natural medicines and to optimize the efficacy of medicinal effects for combinations of major ingredients to help treat certain diseases.
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문제 정의
이는 黃芩에 대한 기존의 연구결과를 뒷받침해 주는 의미 있는 결과였으며, 가장 많은 유전자가 관여한 과정은 gene expression으로, 유전자 108개가 연관된 생체대사였다. 본 논문에서는 黃芩의 항균 관련 대사에 주목하였다. 연구의 주제인 항균 작용 그룹은 5번째로 많은 유전자의 관련성이 높았으며, 항균에 관련된 유전자들 중 2개 이상의 과정에 관여하는 유전자는 86개 중 6개로 chemokine ligand2 (CCL2), interleukin-6 (IL-6), tumor necrosis factor (TNF), caspase-8 (CASP8), caspase-9 (CASP9) 그리고 mitogen-activated protein kinase 14 (MAPK14) 이었다(Fig.
단일 타깃을 연구하는 방식은 한계가 많은 접근법이다. 본 연구는 축적된 빅데이터를 이용하여 한약재의 주요 성분 및 지표 성분, 그리고 특정 성분의 항균작용 기전을 신속하고 명확하게 파악하여 추후 감염병의 예방과 치료 전략에 효율적으로 이용할 수 있는 기반을 제시하고자 한다.
나아가서 黃芩과 관련된 유전자들의 생체 작용을 예측한 후, 그 중 항균작용에 초점을 맞춰 분석을 진행하였다. 본 연구로 항균, 항암효과로 주목받아 온 黃芩의 효능을 재조명하고, 생물 정보학적 기초자료를 제시하고자 한다.
이렇듯 黃芩에 대한 연구 성과가 많이 보고되어 있고, 다양한 활성 성분을 함유하고 있음에도 활성 성분과 관련된 타깃 유전자에 관한 연구는 이루어진바 없다. 본 연구에서는 黃芩의 잠재적 활성 성분과 관련 타깃 유전자를 네트워크 약리학적 분석을 이용하여 밝혀내었다. 나아가서 黃芩과 관련된 유전자들의 생체 작용을 예측한 후, 그 중 항균작용에 초점을 맞춰 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 시스템 약리학적 분석 방법을 사용하여 황금의 활성 화합물을 탐색하여 항균 효과에 중점을 둔 표적 유전자 및 질병을 분석하였다. 黃芩의 특정 성분은 TCMSP 데이터베이스 및 분석 플랫폼을 통해 확보하였다.
제안 방법
Cytoscape 3.7.2 (https://cytoscape.org/)를 이용하여 黃芩 의 다양한 활성성분과 타깃 유전자들과의 관련성을 알아보기 위해 타깃 정보가 있는 33개의 활성성분과 수집된 타깃에 대한 네트워크(Compound-Target network, C-T network)와 항균관련 활성 성분과 타깃 유전자와의 네트워크를 만들었다(Fig. 2, Fig. 4A). 항균 관련 생물학적 대사과정을 선별하여 생체대사와 타깃 유전자에 관한 네트워크(Process-Target network, P-T network)를 구성하였다(Fig.
org)를 이용하여 각 유전자의 정보를 확보하였다. DAVID 6.8 Gene Functional Classification Tool (https://david.ncifcrf.gov/)을 사용하여 수집한 유전자에 연관된 생체대사 과정(biological process)을 찾기 위한 유전자 온톨로지 분석 (gene ontology analysis)을 수행하였다. P값은 0.
Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology (TCMSP, http://ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmsp.php) Database and Analysis Platform을 이용하여 黃芩의 활성성분을 스크리닝하였다13). 본 연구의 전체적 흐름도는 Fig.
분석하였다. 黃芩의 특정 성분은 TCMSP 데이터베이스 및 분석 플랫폼을 통해 확보하였다. 여기에는 활성 화합물 및 관련 약물 표적 질환 네트워크의 약동학적 특성이 포함되며, 네트워크 수준에서 가능한 in silico 접근 방식의 가능하다.
본 연구에서는 黃芩의 잠재적 활성 성분과 관련 타깃 유전자를 네트워크 약리학적 분석을 이용하여 밝혀내었다. 나아가서 黃芩과 관련된 유전자들의 생체 작용을 예측한 후, 그 중 항균작용에 초점을 맞춰 분석을 진행하였다. 본 연구로 항균, 항암효과로 주목받아 온 黃芩의 효능을 재조명하고, 생물 정보학적 기초자료를 제시하고자 한다.
1에 요약하였다. 약물의 흡수와 분포, 대사, 배설(ADME: absorption, distribution, metabolism, extraction) 지표에 근거를 둔 약리화 (Drug-Likeness, DL), 생리활성도(Oral bioavailability, OB), 장내흡수도(Caco-2 permeability, Caco-2) 값을 기준으로 스크리닝하였다. DL 값은 생체 내에서 예측되는 약리 활성에 대한 값으로 값이 높을수록 생리 활성이 높다.
4A). 항균 관련 생물학적 대사과정을 선별하여 생체대사와 타깃 유전자에 관한 네트워크(Process-Target network, P-T network)를 구성하였다(Fig. 4B).
활성성분과 연관된 모든 타깃 유전자는 UniProt database (http://www.uniprot.org)를 이용하여 각 유전자의 정보를 확보하였다. DAVID 6.
대상 데이터
TCMSP 분석에서 총 143개의 성분 중 OB≧30%, caco-2≧– 0.4, DL≧0.18의 조건에 부합하는 黃芩의 활성성분 36개를 확보하였다(Table 1).
2는 33 활성성분과 관련된 타깃 유전자간의 네트워크를 보여준다. 유전자 온톨로지 분석을 통하여 黃芩의 타깃 유전자들이 관여하는 총 171개의 생물학적 과정을 확보하였다. 이 중에서 상대적으로 많은 유전자가 관련된 생물학적 과정을 그룹화 하여 보니, gene expression (n=108), metabolism (n=104), cell cycle (n=100), apoptosis (n=98), antibiotic (n=86), immunity (n=85), response to environment (n=77) 순으로 분류되었다(Fig.
가지고 있었다. 중복을 제외하고 159개의 타깃 단백질을 수집하였고 UniProt을 통해 각 단백질의 유전자를 확인하였다. Fig.
활성성분 36개 중 5, 8, 2'-Trihydroxy-7-methoxyflavone, Dihydrooroxylin A, Supraene을 제외한 33개 성분이 타깃 정보를 가지고 있었다. 중복을 제외하고 159개의 타깃 단백질을 수집하였고 UniProt을 통해 각 단백질의 유전자를 확인하였다.
이론/모형
gov/)을 사용하여 수집한 유전자에 연관된 생체대사 과정(biological process)을 찾기 위한 유전자 온톨로지 분석 (gene ontology analysis)을 수행하였다. P값은 0.01 미만으로 설정하였으며, Benjamini-Hochberg 방법으로 P값을 보정하였다16, 17).
성능/효과
성분 분석 결과에서 보면 항균작용에 관여하는 대표활성 성분은 wogonin, baicalein, β-sitosterol, acacetin, oroxylin-A이었다(Fig. 4A). 황금의 지표성분으로 알려진 wogonin, baicalein, baicalin 중 baicaline OB=29.
본 논문에서는 黃芩의 항균 관련 대사에 주목하였다. 연구의 주제인 항균 작용 그룹은 5번째로 많은 유전자의 관련성이 높았으며, 항균에 관련된 유전자들 중 2개 이상의 과정에 관여하는 유전자는 86개 중 6개로 chemokine ligand2 (CCL2), interleukin-6 (IL-6), tumor necrosis factor (TNF), caspase-8 (CASP8), caspase-9 (CASP9) 그리고 mitogen-activated protein kinase 14 (MAPK14) 이었다(Fig. 4B).
위의 결과들을 통해, 黃芩의 주요 활성 성분이 항균에 중요한 작용을 할 수 있음을 확인하였으며, 주요 타깃과 활성성분을 선별하여 효율적으로 실험적 검증을 진행할 수 있는 기반을 마련하였다.
유전자 온톨로지 분석을 통하여 黃芩의 타깃 유전자들이 관여하는 총 171개의 생물학적 과정을 확보하였다. 이 중에서 상대적으로 많은 유전자가 관련된 생물학적 과정을 그룹화 하여 보니, gene expression (n=108), metabolism (n=104), cell cycle (n=100), apoptosis (n=98), antibiotic (n=86), immunity (n=85), response to environment (n=77) 순으로 분류되었다(Fig. 3). 이는 黃芩에 대한 기존의 연구결과를 뒷받침해 주는 의미 있는 결과였으며, 가장 많은 유전자가 관여한 과정은 gene expression으로, 유전자 108개가 연관된 생체대사였다.
여기에는 활성 화합물 및 관련 약물 표적 질환 네트워크의 약동학적 특성이 포함되며, 네트워크 수준에서 가능한 in silico 접근 방식의 가능하다. 표적의 유전자 정보를 UnitProt 데이터베이스로부터 수집하고 유전자 온톨로지 분석을 David 6.8 유전자 기능 분류 도구를 사용하여 수행한 결과, 33 개의 스크리닝된 활성 화합물에 상응하는 총 159개의 표적 단백질을 수집하였고, 86 개의 유전자가 항균성 활성과 관련된 생물학적 과정에 작용하는 것으로 밝혀졌다. 항균 작용에 관여하는 대표적인 활성 화합물은 wogonin, β-sitosterol baicalein, acacetin, oroxylin-A였으며, chemokine ligand2, interleukin-6, tumor necrosis factor, caspase-8, 9 그리고 mitogen-activated protein kinase 등이 두 가지 이상의 항균 관련 생물학적 과정에 연관된 표적인자였다.
항균작용과 관련된 추가 네트워크 분석을 한 결과, 주요 활성 성분으로 wogonin (11 genes), baicalein (6 genes), β-sitosterol(6 genes), acacetin (6 genes), oroxylin-A (4 genes) 등이 관여한다는 것을 알 수 있었다(Fig. 4A).
후속연구
기존 문헌에서 보여 준 바와 같이 본 TCMSP 분석을 통해 밝혀진 황금의 활성 성분 중 특히 항균작용에 뛰어난 효능을 보이는 것으로 분석된 wogonin, baicalein, β-sitosterol, acacetin, oroxylin-A의 작용기전을 통한 黃芩의 다양한 세균감염 예방 및 항균작용을 기대 할 수 있을 것이다.
시스템 네트워크를 이용해서 약재의 약리작용에 대한 분석을 하는 경우, 질병에 대한 해결책을 찾기 위한 약재를 물색함에 있어서 시간, 비용, 노력과 무수한 시행착오를 줄일 수 있다. 나날이 방대하게 축적되어가는 빅데이터를 활용하여 약재의 함유된 성분과 그 성분에 반응하는 단백질, 더 나아가 이에 관련된 질병까지 확보된 데이터는, 추후 실험적 검증에 중요한 기반을 제공할 것이다.
항균 작용에 관여하는 대표적인 활성 화합물은 wogonin, β-sitosterol baicalein, acacetin, oroxylin-A였으며, chemokine ligand2, interleukin-6, tumor necrosis factor, caspase-8, 9 그리고 mitogen-activated protein kinase 등이 두 가지 이상의 항균 관련 생물학적 과정에 연관된 표적인자였다. 본 연구결과를 토대로 실험적 증거를 보여준다면 감염병 예방 및 치료 전략에 중요한 데이터를 제공할 수 있을 것이다.
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