IF:6.7,別卷了!“代謝組+網毒+對接+驗證”組合拳,2個月躺發(fā)一區(qū)!新賽道快上車!
題目:通過代謝組學和網絡毒理學解析小鼠中鉤吻素己誘發(fā)的神經毒性
英文名:Decoding gelsenicine-induced neurotoxicity in mice via metabolomics and network toxicology
雜志:Phytomedicine
影響因子:6.7
發(fā)表時間:2025年4月9日
研究背景:鉤吻素己(Gelsenicine)是鉤吻屬植物中毒性最強的成分,兼具多種藥理活性與強效神經毒性,常因誤服導致中毒事件,但其神經毒性分子機制尚未明確。當前研究缺乏對其毒性通路和關鍵靶點的系統(tǒng)解析,限制了臨床診斷與風險評估。
研究思路:在C57BL/6J小鼠中進行急性口服毒性試驗,以評估毒性癥狀、確定半數(shù)致死量(LD50)并評估組織病理學變化。采用非靶向代謝組學方法鑒定血清、海馬(HIP)和延髓(MO)中的差異代謝物及相關通路。通過整合網絡毒理學確定核心靶點和通路,并進一步通過分子對接和RT-qPCR驗證,建立了參與鉤吻素己誘導神經毒性的核心“化合物-靶點-代謝物-通路”網絡。
研究結果:
1、鉤吻素己在小鼠中引起急性毒性
通過記錄不同劑量鉤吻素己(圖1A)暴露小鼠的生存率(圖1B)以及基于性別的生存分布(圖1C),使用Bliss Probit模型在SPSS中估算了C57小鼠的LD??約為1.82mg/kg,其中雌性為1.89mg/kg,雄性為1.75mg/kg(圖1D)。性別之間在LD??、死亡率或毒性癥狀方面沒有顯著差異。這些發(fā)現(xiàn)證實了鉤吻素己是一種高毒神經毒素?;诖?,選擇了1.0、2.0和4.0mg/kg作為后續(xù)實驗的低、中和高劑量。在多個大腦區(qū)域(主要在延髓和海馬體)檢測到輕微病變,表現(xiàn)為神經元萎縮和細胞質空泡化(圖1E)。尼氏染色顯示海馬體和延髓中尼氏體丟失(圖1F)。透射電子顯微鏡(TEM)分析進一步顯示了神經元超微結構損傷(圖1G)?;谶@些發(fā)現(xiàn)和先前的研究,選擇了血清、海馬體和延髓進一步調查鉤吻素己對小鼠代謝輪廓的影響。
圖1
2、血清、海馬和延髓的代謝物譜分析及通路分析
主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)用于分析鉤吻素己對小鼠血清、海馬體和延髓代謝輪廓的影響。在血清(圖2A-1)、海馬體(圖2B-1)和延髓(圖2C-1)中均觀察到顯著的分離。通路富集分析揭示了包括組氨酸代謝、泛醌生物合成和TCA循環(huán)在內的9個關鍵通路(圖2A-2)。在海馬體中,識別出61種差異代謝物(例如蘋果酸、谷氨酸、肉堿),前25個富集通路包括精氨酸生物合成、磷酸戊糖途徑、組氨酸代謝和TCA循環(huán)(圖2B-2)。在延髓中,發(fā)現(xiàn)了111種代謝物,前25個富集通路包括精氨酸生物合成、TCA循環(huán)和氨基酸代謝(圖2C-2)。這些發(fā)現(xiàn)表明鉤吻素己主要影響能量相關的代謝途徑。
圖2
3、網絡毒理學識別鉤吻素己神經毒性的靶點和通路
使用數(shù)據庫和文獻綜述在鉤吻素己和神經毒性之間確定了187個重疊靶點(圖3A)。關鍵分子功能包括蛋白激酶活性、氧化還原酶活性、天冬氨酸型內肽酶活性、神經遞質受體活性和蛋白激酶結合。顯著的細胞組分定位于膜筏、突觸膜、囊泡腔、軸突、突觸前、受體復合物、蛋白激酶復合物、溶酶體、核膜和線粒體基質(圖3B)。KEGG富集分析揭示了關鍵通路,包括神經活性配體-受體相互作用、5-羥色胺能突觸和磷脂酶D信號。使用前20個通路及其靶點在Cytoscape中構建了“化合物-靶點-通路”網絡,說明了鉤吻素己、這些通路和關鍵靶點之間的關系(圖3C)。通過整合毒理學和代謝組學分析揭示的關鍵“化合物-靶點-代謝物-通路”網絡:通過比較網絡毒理學靶點和血清、海馬體和延髓中差異代謝物的靶點,確定了重疊靶點(圖3D)。GO和KEGG富集分析顯示,二羧酸代謝、小分子分解代謝和蘋果酸代謝與生物過程最密切相關,而關鍵分子功能包括羧酸裂解酶、蘋果酸脫氫酶、氧化還原酶和肉堿O-脂酰轉移酶活性。線粒體膜、過氧化物酶體和線粒體基質是顯著的細胞組分(圖3E)。KEGG分析顯示鉤吻素己誘導的神經毒性主要影響碳代謝;氨基酸生物合成;以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(圖3F)。使用Cytoscape可視化“化合物-靶點-代謝物-通路”網絡(圖3G)。
圖3
4、鉤吻素己對核心靶點表現(xiàn)出良好的結合能
通過STRING數(shù)據庫生成了蛋白質-蛋白質相互作用(PPI)網絡(圖4A)。Cytoscape篩選了核心基因,包括GLUD1、GOT、IDH、MDH、ME、TKT和GSR,這些基因與鉤吻素己誘導的神經毒性密切相關(圖4B)。所有鉤吻素己與核心靶點的對接分數(shù)均低于-5,間接證實了先前分析的可靠性(圖4C-K)。其中,鉤吻素己對IDH2和GLUD1等靶點表現(xiàn)出較強的對接活性,結合能低于-7。
圖4
5、鉤吻素己可誘導核心靶點的表達失調
通過RT-qPCR檢測對照組和鉤吻素己暴露組之間核心基因表達的差異(圖5a)。其他酶包括GLUD1、MDH1、MDH2、ME1、ME2、GOT2、GSR和IDH1在中等到高劑量下顯示出顯著降低的mRNA水平(圖5B)。這些發(fā)現(xiàn)表明鉤吻素己誘導的神經毒性涉及多個分子靶點。此外,為了評估這些酶的功能影響,測量了GLUD1和NAD-ME的活性,結果通常與RT-qPCR發(fā)現(xiàn)一致(圖5C、D)。
圖5
6、與核心靶點相關的代謝物作為潛在生物標志物
確定了與這些核心靶點相關的差異代謝物作為小鼠中毒的核心差異代謝物(圖6A)。血清、海馬體和延髓中核心差異代謝物的相對定量分析結果見圖6B-D。圖6E和F顯示了兩種代表性代謝物蘋果酸和谷氨酸的色譜圖和離子碎片,與mzCloud庫的匹配分數(shù)超過90%。為了評估這些代謝物作為診斷標志物的潛力,進行了ROC曲線分析(圖6G-I),表明對照組和鉤吻素己處理組之間存在顯著差異。這些代謝物可以作為潛在的生物標志物,其中谷氨酸和蘋果酸是鉤吻素己毒性所有三個樣本中的核心生物標志物。
圖6
總結:本研究通過代謝組學與網絡毒理學結合,發(fā)現(xiàn)鉤吻素己通過干擾以蘋果酸-天冬氨酸穿梭(MAS)為中心的能量代謝網絡(涉及TCA循環(huán)、氨基酸代謝等)誘導神經毒性,確定蘋果酸、谷氨酸等為潛在生物標志物,為臨床診斷和法醫(yī)鑒定提供理論依據。傲星生物深耕生信分析十余載,有豐富的實驗方案、完善的下游驗證、機制研究服務,一對一專屬服務為您排憂解難,助您輕松應對畢業(yè)和晉升!