中药专业论文 紫杉醇治疗乳腺癌分子机制的生物信息学分析

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中国网络大学CHINESE NETWORK UNIVERSITY
毕业设计(论文)
紫杉醇治疗乳腺癌分子机制的
生物信息学分析
学院中药学院
专业中药学
班级201X级X班
学生姓名学生姓名
学号12345678
指导教师X教授
202X年3月
诚信声明
我声明，所呈交的毕业论文（设计）是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

我承诺，论文（设计）中的所有内容均真实、可信。

毕业论文（设计）作者（签名）：
年月日
目录
1前言 (1)
2实验方法 (3)
2.1数据集 (3)
2.1.1紫杉醇靶蛋白的收集 (3)
2.1.2乳腺癌相关基因的收集 (3)
2.2分析方法 (3)
2.2.1紫杉醇靶蛋白生物分子网络的构建 (3)
2.2.2乳腺癌相关基因生物分子网络的构建 (3)
2.2.3二者共同作用的生物学通路及作用位点分析 (4)
3结果与讨论 (5)
3.1 紫杉醇靶蛋白生物分子网络 (5)
3.2 乳腺癌相关基因生物分子网络 (6)
3.3 紫杉醇靶蛋白和乳腺癌相关基因生物学通路的比较 (7)
3.4 生物通路共同作用位点分析 (8)
3.5讨论 (11)
4结论 (13)
参考文献 (14)
致谢 (16)
紫杉醇治疗乳腺癌分子机制的生物信息学分析
【摘要】目的：通过生物信息学方法探讨紫杉醇治疗乳腺癌分子机制，为紫杉醇治疗乳腺癌提供思路。

方法：在PubChem数据库中查找紫杉醇的活性靶蛋白；在NCBI数据库的Genebank中查找乳腺癌相关基因；采用IPA软件构建二者的分子网络和生物学通路，找出二者的共同作用通路及其通路中的共同作用位点。

结果：找到紫杉醇对应的靶蛋白共55个，与乳腺癌相关基因共348个，二者共有78个生物学通路，其中包括两类与癌症相关的通路。

共同作用位点分析发现紫杉醇主要通过共同通路中的微管蛋白(Tubulin)和β整合素(β-Integrin)来阻滞细胞的增殖和分裂，抑制抗凋亡作用。

结论：紫杉醇可通过干预乳腺癌相关的凋亡通路和癌症信号通路上的微管蛋白(Tubulin)和β整合素(β-Integrin)等位点，达到治疗乳腺癌的作用。

【关键词】乳腺癌；紫杉醇；靶蛋白
Bioinformatics analysis of molecular mechanisms of paclitaxel in the treatment of breast cancer
[Abstract] Objective: To explore the molecular mechanism of paclitaxel in the treatment of breast cancer by bioinformatics, and to provide the idea for paclitaxel in the treatment of breast cancer. Methods: The target protein of paclitaxel was searched in the PubChem database. The breast cancer related genes were searched in the Gene database. The IPA (Ingenuity Pathway Analysis) software was used to construct the molecular network and biological pathway, in comparison to find out the common path of the common role in the two sites. Results: A total of 348 genes associated with breast cancer were found. There were 55 target proteins corresponding to paclitaxel. There were 78 common biological pathways in the biological pathways involved, involving two types of cancer related pathways.The results showed that paclitaxel mainly inhibited the proliferation and division of cells through tubulin and β-Integrin in the common pathway, and inhibited the anti-apoptotic effect. Conclusion: Paclitaxel can achieve the role of treatment of breast cancer by interfering with the apoptosis pathway associated with breast cancer and tubulin and β-Integrin on cancer signaling pathways.
[Keywords] Breast cancer Paclitaxel Target protein
1 前言
女性一生中患乳腺癌的概率为10%，全世界每年约有乳腺癌病人120万人，每年约有40万人死于该病，并且以每年2%-3%的速度递增。

在美国，乳腺癌的发病率已居女性恶性肿瘤第一位，其死亡率居恶性肿瘤死亡率的第二位。

我国乳腺癌发病率已跃居女性恶性肿瘤的首位，且发病年龄呈年轻化趋势[1]。

乳腺癌已经危害到人们的日常生活，带给不仅是来自精神上的紧张，还有生理上的危害。

因此引发人们对乳腺癌的预防和治疗的高度关注。

常用于治疗乳腺癌的药物有曲妥珠单抗、帕妥珠单抗、西妥昔单抗等等，其中，曲妥珠单抗该药是乳腺癌治疗领域第一个靶向药物。

曲妥珠单抗（赫赛汀）抑制PI3K / AKT 通路，下调HER-2表达，从而抑制肿瘤生长。

但是曲妥珠单抗单药治疗有效率低，一般多与化疗药物联用。

抗帕妥珠单抗也是以HER-2为靶点的人源化单克隆抗体，它与HER-2受体胞外结构域11区结合，抑制二聚体的形成。

但是这些药物的临床应用时间毕竟太短，还有许多问题有待探索。

目前相关的临床试验也仍在进行中，大多数靶向治疗药物还只能作为二线或者三线用药[2]。

虽然目前靶向治疗药物疗效仍然十分有限，但是相信随着人们对肿瘤发生和发展的分子和基因机制认识的不断深入，通过阻断肿瘤细胞生长的不同信号途径，联合应用多种作用不同靶点的药物或与放疗、化疗等传统治疗手段结合，将进一步提高恶性肿瘤的治疗效果[3]。

目前肿瘤的药物治疗正处于从单纯细胞毒性药物向分子、基因靶向性调控过渡，靶向治疗凭借其特异性与靶向性的优势在肿瘤治疗中发挥着越来越重要的作用。

紫杉醇作为天然药物中的有效成分，是天然药物治疗癌症代表药物。

紫杉醇（Taxol）是1963年美国国家肿瘤研究所（NCI）从红豆杉树皮和木质部分离出的一种化合物，也是紫杉烷类化合物中第一个经FDA批准进入临床的药物。

目前，临床上它已广泛用于卵巢癌、乳腺癌、肺癌、食道癌等多种癌症的治疗[4]。

从红豆杉树皮或浸膏中提取紫杉醇在生物制药方面的技术已经完全成熟[5]。

许多实体瘤细胞激素可选择性抑制紫杉醇诱导的细胞凋亡，但不影响紫杉醇诱导的微管聚合和阻滞细胞周期能力，表明紫杉醇诱导细胞凋亡有其独立于阻滞细胞分裂的新途径，可能有其他的信号传导通路参与紫杉醇诱导的细胞凋亡。

近年来，关于红豆杉细胞生物合成紫杉醇途径的研究取得了突破性进展，一些关键酶基因已被分离、鉴定及克隆[6]。

生物信息学伴随着分子生物学的发展而产生，随着高通量技术的发展，各种类型的生物学数据大量产生[7]。

生物信息学在药用植物研究中的应用策略包括以下三个方面：（1）探索适用于中药研究的生物信息学分析策略；（2）基于中药特性开发生物信息学新算法和软件；（3）构建中药基因资源数据库。

其中，拓展生物信息学分析策略和算法，能够为研究药用植物的基因组、转录组、蛋白质组、代谢组，探索与中药有效成分产生有关的基因、蛋白质等关键因素，提供解决方法。

通过构建中药数据库，可整合中药组学数据，为进一步研究中药属性提供可靠的数据来源[8]。

近年，利用生物信息学技术，研究靶向药物，网络生物学和网络药理学的发展为基石医学和药物治疗学的革新提供了新的方向，并带动了新药从传统的“单一靶点驱动”向“信号通路驱动”、“网尝调控驱动”等方向转变[9]。

这些条件都为研发靶向药物治疗乳腺癌提供了良好的发展基础。

因此，本文通过生物信息学方法，探究从天然药物红豆杉中分离出来的活性成分紫杉醇治疗乳腺癌的分子机制，为靶向药物治疗乳腺癌提供新的思路。

2实验方法
2.1数据集
2.1.1紫杉醇靶蛋白的收集
PubChem[11]是由美国国家健康研究（US National Institutes of Health，NIH）支持，基于美国国家生物技术信息中心生物信息平台的一个开放数据库项目。

本文用紫杉醇(Paclitaxel)的化学结构式的mol文件，在PubChem中筛选出对应靶蛋白。

为得到紫杉醇的mol文件，在百度文库中搜索紫杉醇化学分析结构的mol文件，将其下载可得。

对PubChem进行数据搜集，其数据集纳入标准是：
（1）符合paclitaxel化学结构mol文件的化合物；
（2）选取Active Compound值大于1的靶蛋白为活性靶蛋白。

2.1.2乳腺癌相关基因的收集
美国国家生物技术信息中心的Genbank数据库，具有基因数据的递交修改和查询功能提供与之相关的生物学信息和参考文献，是目前世界上增长最快的，信息量最大的文献记录数据库[11]。

本研究以”breast cancer”为关键词，在NCBI数据库中的Genebank搜索乳腺癌的相关基因。

对Gene进行数据搜集，其数据集纳入标准是：
（1）以”breast cancer”为关键词搜索到的相关基因；
（2）符合人类(Human)并去除有突变位点的基因。

2.2分析方法
2.2.1紫杉醇靶蛋白生物分子网络的构建
将PubChem中检索到的紫杉醇（Paclitaxel）对应靶蛋白，在线提交至IPA(Ingenuity Pathway Analysis)[9]生物分析软件，并且利用IPA软件中的网络分析(Network analysis)功能，构建紫杉醇对应的靶蛋白的生物分子网络。

2.2.2乳腺癌相关基因生物分子网络的构建
将Genebank中筛选得到的乳腺癌相关基因在线提交至IPA (Ingenuity Pathway
Analysis)生物分析软件，利用IPA软件中的网络分析(Network analysis)功能，构建乳腺癌相关基因的生物分子网络。

2.2.3二者共同作用的生物学通路及作用位点分析
IPA生物分析软件能够分析、整合、理解来自于基因表达等系统生物学、组学等的实验数据；能够搜索到有关基因、蛋白质、化学品和药物的信息，并能建立起实验系统的交互模型[12]。

采用IPA软件中比较(Comparison)模块，比较紫杉醇对应的靶蛋白及乳腺癌的生物学通路，并选取二者共同作用的通路进行深入研究，分析二者在共同作用的生物学通路中的位点，明确紫杉醇(Paclitaxel)治疗乳腺癌的分子机制。

对IPA进行通路分析，通路的分析标准是：
（1）选取满足p-value<0.05,z-score绝对值大于2的数值分析，相关性更高；
（2）紫杉醇对应的靶蛋白以及乳腺癌的相关基因构建的分子网络，在Comparison 中对比分析；
（3）对比Canonical Pathway的通路和IPA中的通路，选出和癌症（cancer）以及凋亡（apoptosis）相关的信号通路分析通路；
（4）对比分析共同作用位点，看图例，选取二者都具有者（即图例生物位点显示为既有粗边也有灰色）。

3结果与讨论
3.1 紫杉醇靶蛋白生物分子网络
用PubChem数据库寻找得到紫杉醇活性靶蛋白共55个，上传到IPA分析软件中进行分析，共构建4个生物分子网络，见图1。

a b
c d
图1紫杉醇靶蛋白生物分子网络图
（a. 癌症、有机体损伤和异常、再生性系统疾病；b. 神经系统疾病、有机体损伤和异常、精神紊乱；c. 细胞周期、癌症、内分泌系统紊乱；d. 细胞妥协、DNA复制、重组、修复、细胞介导免疫）
3.2 乳腺癌相关基因生物分子网络
Genebank中查找到的乳腺癌相关基因共348个，上传到IPA软件中进行分析，乳腺癌相关基因一共构建22个功能不同的生物学分子网络。

由于数量较多，节选4个进行展示，见图2。

a b
c d
图2 乳腺癌相关基因（灰色分子）构成的分子网络图
（a.细胞运动、有机体的损伤和异常；b. 细胞发展、生长、增殖；c. 细胞周期、DNA复制、重组修复以及增殖、基因表达；d. 细胞周期、DNA复制、重组、修复以及增殖、基因表达）
在生物学分子网络图中，图注说明不同形状分子的属性，每个节点代表一个分子，图中灰色分子为紫杉醇的靶蛋白或乳腺癌的相关基因，未涂色的分子为构建分子网络所需要的相关分子。

实线代表靶蛋白和乳腺癌相关基因间直接的作用关系，虚线代表两个分子之间间接的作用关系。

通过IPA构建的生物学分子通路，可以显示分子之间的作用功能，体现生物功能的复杂多样性。

从上述由乳腺癌相关基因和紫杉醇对应靶蛋白构成的分子网络图，可以看出构成乳腺癌基因网络的分子，多与细胞运动、蛋白质合成、皮肤疾病和条件、心脏疾病、类脂化合物代谢作用、神经系统和听觉、前庭的发展和功能，以及有机体的损伤和异常；而构成紫杉醇靶蛋白网络的分子，则与癌症，有机体损伤及异常，再生系统的疾病，细胞的增长、增殖及其凋亡，细胞妥协以及DNA的复制、重组以及修复。

由此可以说明，二者所构成的生物学分子网络，既有共同的分子也有差异的分子，而各自的生物功能复杂多样。

3.3 紫杉醇靶蛋白和乳腺癌相关基因生物学通路的比较
运用Network Analysis建立分子网络通路之后，通过IPA软件中的Comparison Analysis中的Canonical Pathway模块进行分析比较，对比紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因作用的生物学通路，从中发现二者共同作用的通路78条，对其共同作用的通路进行分类，其中有两类通路与癌症相关，分别是22条癌症信号相关通路（图3）以及7条凋亡相关通路（图4）。

图3中，乳腺癌基因和紫杉醇靶蛋白共同作用的癌症相关信号通路中主要涉及Stathmin1乳腺癌的调控通路、组织因子在癌症中的作用通路、药物外排对癌症的耐药性通路、HER-2乳腺癌信号通路。

图4中，二者共同作用的凋亡通路涉及14-3-3介导信号转导通路、H1V1凋亡引入通路、介导的凋亡信号通路、凋亡信号通路、SAPK/JNK信号通路、端粒酶信号通路、芳基烃受体信号通路。

通过以上结果分析，紫杉醇(Paclitaxel)主要作用于癌症的信号通路和凋亡通路，紫杉醇有可能是通过调节这些通路来对乳腺癌进行治疗。

图3 紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因共同作用的癌症信号通路
图4 紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因共同作用的凋亡通路
3.4 生物通路共同作用位点分析
对乳腺癌相关基因和紫杉醇对应的靶蛋白参与以上共同通路的生物学作用位点进行分析，明确紫杉醇治疗乳腺癌的作用位点即通路中的共同作用位点，结果见表1和表2。

其中，-log(p-value)值较大的即相关性高的4个通路，包括Stathminl乳腺癌的调控通路、14-3-3介导信号转导通路、HER-2乳腺癌信号通路、组织因子在癌症中的作用通路的分析结果见图5。

图中灰色部分是乳腺癌相关基因的作用位点，而图中粗边则是紫杉醇对应的靶蛋白的作用位点。

根据图中所示，粗边且涂了灰色的是紫杉醇参与乳腺癌的癌症相关通路共同作用位点主要涉及微管蛋白（Tubulin），整合素α-Vβ3（Integrin
alpha-V beta3）和整合素β（β-Integrin）。

表1紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因共同作用的癌症信号通路分析
通路名称共同作用位点
Stathmin1乳腺癌的调控微管蛋白
胶质瘤的侵袭性信号整合素α-Vβ3
组织因子在肿瘤中的作用整合素α-Vβ3
药物外排对肿瘤的耐药性—
HER-2信号在乳腺癌中的表达β整合素
前列腺癌信号雄激素受体
神经胶质瘤的信号异柠檬酸脱氢酶1/2
甲状腺癌信号—
子宫内膜癌信号—
非小细胞肺癌信号—
急性髓系白血病信号异柠檬酸脱氢酶1/2
慢性粒细胞白血病信号—
p53信号—
端粒酶信号—
胰腺癌的信号—
PI3K/Akt信号酪氨酸激酶，丝氨酸/苏氨酸激酶，14-3-3
遗传性乳腺癌信号—
卵巢癌信号—
多形性胶质母细胞瘤的信号—
Wnt/beta连环信号—
大肠癌转移信号—
肿瘤分子机制—
表2 紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因共同作用的凋亡通路分析
凋亡通路共同作用位点
14-3-3介导的信号微观蛋白
H1V1凋亡引入—
介导的凋亡信号—
凋亡信号—
应激活化蛋白酶/氨基末端激酶信号—
端粒酶信号—
芳基烃受体信号—
a b
c d
图5 紫杉醇对应靶蛋白和乳腺癌相关基因共同通路作用位点
（a. Stathmin1乳腺癌的调控通路；b. 14-3-3介导信号转导通路；c. HER-2乳腺癌信号通路；d. 组织
因子在癌症中的作用通路）
3.5讨论
许多天然药物，如紫杉醇和姜黄素，由于其相对低毒性已被应用于治疗和预防乳腺癌。

抗肿瘤药物超过60%来自于植物等天然产物，在中国大部分乳腺癌患者会接受中医药的治疗[13]。

许多学者对中药和天然药物治疗乳腺癌进行研究，结果显示，一些中药和天然药物的成分可以抑制三阴性乳腺癌细胞生长和增殖，多种中药和天然药物能够通过阻滞细胞周期、诱导内源性或外源性细胞凋亡、细胞毒性等作用抑制肿瘤细胞生长和增殖[14]。

紫杉醇抗癌机制独特，是目前所了解的惟一一种可以通过促进微管聚合并使已聚合微管稳定的抗癌药物。

紫杉醇抑制肿瘤生长的主要机制是通过稳定微管干扰微管动力进而激活纺锤体检查点使细胞周期阻滞于G2/M期，从而抑制细胞的分裂并诱导细胞的凋亡[15]。

关于紫衫类耐药还有很多其他的机制，包括P一糖蛋白的过表达；微管调节蛋白表达异常或翻译后的改变；调节微管动力蛋白的改变；紫杉醇结合位点的改变；信号传导以及细胞死亡途径的异常等等[16]。

紫杉醇靶蛋白和乳腺癌基因共同作用位点之一是微管蛋白（Tubulin）。

微管在细胞分裂前期聚合成为纺锤体，而纺锤体在细胞有丝分裂过程中牵引染色体向两极移动进入至两个子细胞中，从而完成细胞增殖。

由于微管在细胞有丝分裂过程中承担的重要作用，以微管蛋白为靶点的微管蛋白抑制剂也已成为临床证实有效的抗肿瘤药物[17]。

由于紫杉醇是细胞微管蛋白聚集剂，并阻止微管蛋白解聚，推测紫杉醇抑制细胞迁移作用可能与其影响微管蛋白聚集有关，紫杉醇可明显抑制MDA-MY X35细胞的迁移[18]。

共同作用另一个位点Integrinβ，整合素蛋白，其整合素家族是一类由一个a亚单位和一个p 亚单位通过非共价键连接而成的异二聚体跨膜蛋白，每种整合素都有自己相对特异的配体，接受和传导级联信号以调节细胞存活、凋亡、运动等，在肿瘤转移过程中起重要作用[19]。

紫杉醇通过作用于生物位点，从而阻滞细胞增殖和分裂，抑制该信号通路的抗凋亡作用。

网络生物学和网络药理学的发展为基石医学和药物治疗学的革新提供了新的方向，并带动了新药交现模式从传统的“单一靶点驱动”向“信号通路驱动”、“网尝调控驱动”等方向转变，以研发基于网络调控的创新药物网络生物学也为解析中药复杂体系、阐述中医药理论的科户内涵提供了新的思路和方法[20]，这是一种将天然药物中的有效成分结合现代的生物信息学技术，用于治疗乳腺癌等疾病的一个可靠的选择。

本文是基于
PubChem 以及IPA和NCBI中Genebank数据库的生物信息学实验的研究，重点揭示相关的生物过程，具有一定的预测性，可以为治疗乳腺癌提供启示。

4 结论
本文基于生物信息学数据库和工具，对紫杉醇靶蛋白和乳腺癌相关基因构建生物分子网络及通路，并比较二者共同生物学通路及共同作用位点，探究紫杉醇治疗乳腺癌分子机制。

研究发现，紫杉醇可通过干预乳腺癌相关的凋亡通路和癌症信号通路上多个位点以达到治疗乳腺癌的作用，如紫杉醇发挥着影响微管蛋白聚集的作用，主要在与共同通路中的微管蛋白（Tubulin）和β整合素（β-Integrin）等作用位点，从而阻滞细胞的增殖和分裂，抑制抗凋亡作用。

本文研究为药物靶向治疗、天然药物对乳腺癌等恶性疾病的治疗等提供了新的思路和研究方向。

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致谢
本论文是在XX老师的悉心指导下完成的，本项研究从课题涉及思路，课题开展，实验过程以及结果分析方面，XX老师给予了我耐心的指导和热情的帮助！我是跨学院到周老师这里实习的，新的知识和旧的知识交叉给予我极大的挑战，尤其是生物信息学方面的知识，是我从未接触过的，从数据库的运用到生物信息学软件的熟悉、操作，都让我陷入一定的困境，承蒙老师对我的细心诱导和帮助，才让我走出知识的盲点和找到实验方法的思路。

周老师用严谨求实的作风指导我完成论文，在实验操作方面遇到瓶颈的时候，给予我思路和关键的引导，这些都对我产生了极大的影响也为我提供了有效的帮助。

非常感谢老师在繁忙的工作之余帮我修改论文，从宏观的论文内容到论文的标点符号，老师都能及时给予指点，这才使我避免在内容上过于冗长，逻辑不正，也避免了格式混乱的问题。

周老师在繁忙的工作压力下，仍然秉着严谨、认真、负责的的精神为我批改论文，我对此表示非常的感谢。

通过此次实习，我不仅学习和接触了大学四年从未用过的生物信息学方面的知识，还能够将自己所学的中药方面的知识和此领域的相关知识交织、运用，这对我未来的发展拓宽和知识面的延伸都有这非常积极的作用。

也提高了我对于电脑办公软件的运用能力，认知了一些之前没有使用过的功能键，这也为我的日后工作奠定了一定的基础。

一篇论文的撰写，真的很不容易，洋洋洒洒几千字，看起来不多，但是精细到每一个部分的逻辑内容，甚至是论文的格式，精确到标点符号，这需要提升的空间还是很大的。

通过这次亲身研究并且投入完成论文写作，这为我的大学生活写下一个完美的句号，让我抓紧大学的尾巴，沉下心来研究一个新领域的知识和技能，这是一份难以代替而且难忘的经历。

知识是没有学院或者领域之分，交叉学科的运用和实践让我能力和知识存储都有了很大的提高。

在此，我非常感谢远在国外读书的两位友人，在我陷入无法申请使用IPA生物信息学软件分析数据时，协助我申请到账号，以完成实验关键的分析部分。

同时非常感谢我的家人，无私的爱，给我鼓励和安慰，度过写数据分析陷入瓶颈的日子。

最后，我非常感谢XX老师给的机会，让我跨学院来学习这门前卫的科学——生物信息学数据分析，也非常感谢老师的悉心教导，在我粗心犯下低级错之时，还愿意耐心给予引导和指正。

最后我要对老师的付出表示由衷的敬意和至深的感谢！
16
用心用情服务社会。