白屈菜红碱抗结核靶标的系统生物学鉴别及验证

Tuberculosis (TB), usually caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB), is a chronic infectious disease that seriously threatens human health. Moreover, the emergence of drug resistance to anti-TB drugs is another urgent issue we are facing. Generally, discovery of drug target is a basis of developing new drugs to treat a specific disease. Chelerythrine, the major component of celandine, is an effective known natural drug to kill MTB, but the mechanism of this is unclear. In this project, we will first get candidate targets of chelerythrine by means of correlation diffusion ranking based on both gene expression profiles of MTB treated by chelerythrine and protein-protein interaction networks. We then look for proteins that can combine with chelerythrine from public databases by comparative genomics and some other methods. Only targets obtained from the above two steps can be treated as potential targets. In the next step, we will assess the binding affinity between potential targets and candidate molecules by integrating homology modeling, molecular dynamic simulation and molecular docking. Finally, we plan to validate that whether chelerythrine can inhibit MTB through targeting potential targets with a series of experiments such as gene knockout. This project will inspire us to discover some novel anti-TB drugs and understand the mechanisms how these drugs work, so it has important theoretical and practical values.

结核病（TB）是由分枝结核杆菌（MTB）引起的威胁全球人类健康的一种慢性传染病，而其耐药性是一个非常棘手的问题。药物靶标的发现是研发新型抗TB药物的前提。白屈菜红碱是白屈菜的主要成分，是已知的一种能抑制MTB的天然药物，但是其作用机理尚不明确。本项目拟整合白屈菜红碱处理分枝结核杆菌的基因芯片表达数据和蛋白互作网络数据，利用相关性扩散排序法把基因表达值扩散到蛋白互作网络上的其它基因上，得到候选靶标；再利用比较基因组方法从数据库中搜索与药物分子结合的蛋白，结合两者的方法得到的蛋白作为候选靶标。利用同源模建、分子动力学模拟和分子对接等技术评价候选靶标与药物分子在空间结构和能量的结合能力，从而得到潜在的药物靶标。最后，通过靶标蛋白纯化及基因敲除等技术验证白屈菜红碱抑制MTB的活性。本项目的实施，有助于抗结核新药的研发，加深对白屈菜红碱抑制MTB机理的认识，具有重要的理论研究意义和实践价值。

结核病（TB）是由分枝结核杆菌（Mtb）引起的威胁全球人类健康的一种慢性传染病，而.其耐药性是一个非常棘手的问题。药物靶标的发现是研发新型抗TB药物的前提。白屈菜红碱是白屈菜的主要成分，是一种能抑制MTB的天然药物。本项目整合白屈菜红碱处理分枝结核杆菌的基因芯片表达数据和蛋白互作网络数据，利用改进的相关性扩散排序法把差异表达值扩散到蛋白互作网络上的其它基因上，得到175个基因，并找到39个Mtb必需的候选基因，再从数据库CTD中收集了82个人类白屈菜红碱的已知靶标与找到的39个必需基因进行同源序列比对，发现有两个基因Rv0350和Rv0440 与人类基因是同源。我们分别对Rv0350和Rv0440编码的蛋白Mtb-Hsp70和Mtb-Cpn60进行了同源模建、分子动力学模拟分析，发现这两个靶标在空间结构和结合能上都能与白屈菜红碱结合，说明这两个基因是潜在的药物靶标。另一方面，为了更深入的了解Mtb的耐药机制，我们收集到了282株耐药菌株，利用双位点GWAS分析得到了Mtb耐药性相关的基因对。靶基因中非同义突变的大部分基因都出现在我们的基因对中，说明双位点GWAS方法的有效性。我们还发现，鉴别出的基因对中大部分基因包含药物靶标，且含有PPE家族蛋白，说明PPE家族蛋白在Mtb的耐药中起到很重要的作用。最后，我们通过上述数据的GWAS及PPI的整合分析，利用热扩散模型（HotNet2算法）找到与利福平抗性相关的显著子网络，子网络中的2个基因是已知与耐药相关的基因，我们推测另外3个有可能是与耐药相关的基因。因此，本项目研究不仅得到了白屈菜红碱的抗Mtb候选靶标，也为进一步理解Mtb的耐药机制提供了基础。