基于关联网络的宿主靶向抗病毒药物重定位研究

摘要

时至今日，病毒感染引发的疾病仍是人类健康和公共卫生的一大威胁，全球每年死于病毒感染性疾病的人数以百万计。面对慢性病毒感染性疾病的流行、急性新出现病毒疫情的爆发、一度消失或已被控制病毒的“死灰复燃”以及生化武器可能被恐怖袭击利用这些威胁，迫切需要提出安全快捷有效的抗病毒策略。传统的病毒靶向策略存在诸多问题，主要包括靶标选择空间有限、病毒易产生耐药性、以病毒为靶标药物的抗病毒谱较窄等。针对这些弊端提出的宿主靶向抗病毒策略，不仅具有靶标选择空间大、不易产生耐药性、有望实现广谱抗病毒的优势，更为重要的是，为利用已知药物抗病毒打开了广阔的空间。由于宿主靶向抗病毒策略一个突出的优势就在于存在大量靶向宿主蛋白的已知药物，所以宿主靶向抗病毒药物重定位策略应运而生。利用药物重定位的方法可以充分利用已知药物，缩短周期、节约成本、降低风险，对于抗病毒药物研发来说，不仅能够满足反恐和突发疫情控制的需要，为病毒性传染病的防控提供应急药物解决方案，还能为通过模拟创新手段开发新药奠定基础。另外，除了为人熟知的人工合成药物，制药产业也将目光转向了天然药物。由于天然药物具有经济有效、安全性较高等优势，同时顺应多向药理学的思路，近年来制药产业对天然药物的研究蓬勃发展，天然药物在当前药物研发领域表现出巨大的潜力。天然药物对于新药研发具有很大的价值和指导意义，在已有抗病毒药物中来源于天然产物的化合物所占比例也很高，可见天然药物用于抗病毒治疗前景广阔。
　　本文综合应用关联网络的方法，收集整合了病毒感染过程中的病毒靶标蛋白(Virus Targeting Proteins，VTPs)和关键宿主因子(Essential Host Factors,EHFs)，结合药物-靶标关联数据、天然药物成分-靶标关联数据和蛋白质相互作用数据，以病毒、化合物共用靶标为基础关联已知药物化合物和病毒，评估已知化合物重定位于抗病毒应用的可能性，并进一步探索了它们用于广谱抗病毒的潜力。本文首先收集整合了来源于文献报道的病原体感染EHF，在此基础上建立了EHFPI数据库。其次将整合的病毒感染EHF数据集与来自VirHostNet数据库的VTP数据集进行比较分析，阐述这两种病毒感染宿主因子的联系与区别。在此基础上基于病毒与DrugBank数据库药物的共用靶标建立病毒-药物关联网络，系统分析已知药物对于病毒感染进行防治的可能性，并进一步探讨已知药物应用于广谱抗病毒的潜力。此后我们还收集整理了来自HIT数据库的天然药物及其靶标信息，与DrugBank数据库靶标进行对比，计算分析天然药物靶标的富集情况，预测天然药物在治疗人类复杂疾病中的倾向与趋势。最后以相同的思路基于共用靶标探讨了天然药物重定位于抗病毒及广谱抗病毒的可能性。
　　基于系统生物学和分子网络，以计算的方法理性预测已知药物及天然药物成分重定位于抗病毒的潜力，大规模系统地评估宿主靶向抗病毒已知化合物重定位的可能性可以为药物的发现与设计提供新的方法和策略。本文第一章综述了目前抗病毒药物研究的背景、方法与现状，提出了宿主靶向策略和药物重定位运用于抗病毒药物研发的若干关键问题，阐述了论文的主要研究内容、组织形式结构和技术路线。
　　高通量筛选与计算技术的飞速发展极大地促进了微生物学发展水平，使微生物学家可以更为全面地解读病原体-宿主相互作用关系。通过基因组规模的RNA干扰(RNA interference，RNAi)筛选实验，可以得到病原体感染的EHF，敲除它们会严重影响病原体在宿主体内的生存和复制。论文第二章展示了我们手动收集整合的病原体感染宿主的EHF及其相关信息，在此基础上我们建立了EHFPI生物信息学数据库及相关分析资源。EHFPI数据库包含了25种临床上重要的病原体种类的4634个EHF基因及其对应的蛋白质，展示了相关论文、筛选实验、病原体和表型注释等信息。另外，EHFPI数据库还提供了6种有效的数据整合分析工具，以此促进我们对EHF基因及其对应产物生物学意义的理解，同时从多个角度阐释蛋白质相互作用网络、药物靶标与疾病之间的关系。
　　我们还进一步选取了通过基因组规模RNAi筛选实验得到的病毒感染宿主的EHF。除此之外，还有一类重要的宿主因子即VTP，它们与病毒直接相互作用以保障病毒在细胞内的生存。然而，这两种宿主因子之间的联系却很少被研究。论文第三章以人类免疫缺陷病毒1型(Human Immunodeficiency Virus-1，HIV-1)和流行性感冒A型病毒(influenza Avirus，IAV)这两种病毒的感染为模型，对其EHF和VTP集合进行比对分析，发现两种病毒EHF与VTP的重合程度非常小，二者都具有明显的差异基因表达，调控方向一致。EHF与VTP都倾向于占据人类蛋白质相互作用网络上具有拓扑重要性的位置，两者之间倾向于直接相互作用。我们还针对这两种病毒识别出一些连接度比较大的EHF和VTP。进一步研究发现，对于EHF与VTP共通路的情形，多数EHF倾向于位于VTP上游起调节作用，以此强调了EHF在调节过程中的重要意义。
　　由于当前主流的病毒靶向策略存在一些困难，抗病毒药物研发仍然充满挑战。宿主靶向抗病毒策略具有靶标选择空间大、不易产生耐药性、容易实现广谱抗病毒等优势，同时，有大量现成的药物可以使用，避免了全新药物开发周期漫长、耗资巨大、风险较高等弊端。因此，宿主靶向抗病毒药物重定位策略已经成为抗病毒药物研发领域一个重要的方向。论文第四章基于对已有药物-靶标互联关系和病毒-宿主相互作用关系知识的整合，力图揭示哪些已经验证的病毒生存依赖的宿主蛋白可能被现有药物干扰，进而通过整合病毒-宿主蛋白相互作用网络和药物-靶标关系网络构建了药物-病毒关系网络，系统梳理了可直接或间接作用于病毒依赖的宿主蛋白的已知药物，给出了对现有药物宿主靶向抗病毒潜力的系统评估，并进一步讨论了通过已知药物进行广谱抗病毒的可能性。
　　除了为人熟知的化学合成药物，天然药物或来源于天然产物的化合物在研究领域和制药产业中也具有特别重要的意义。天然药物已被人类使用了很长时间，由于其经济有效、安全性高、符合现代多向药理学的理念，因而对现代药物开发也具有重要的价值，并且在现代药物治疗中取得了突出的成绩。论文第五章主要以探索天然药物在复杂疾病治疗中的潜在应用为目的，应用大规模靶标分析的方法，从靶标蛋白相关通路和疾病分类的角度将HIT数据库提供的天然药物靶标与DrugBank数据库提供的合成药物靶标进行对比，建立了天然药物成分-直接靶标关系二分网络。我们从当前药物研发趋势的视角讨论了该网络的关键特性和天然药物及其靶标之间的关联，发现天然药物可能成为潜在的抗癌药物。
　　鉴于天然药物具有许多独特的优势，又契合现代药物研发领域多向药理学的思路，探索天然药物在宿主靶向抗病毒药物重定位中的应用可能带来新的发现。论文第六章回顾整合了关于病毒、已知天然药物成分及其靶标蛋白的数据信息，基于共用靶标探讨天然药物成分与病毒之间的二分关系进而建立了天然药物成分-病毒关系网络。在此基础上讨论了天然药物成分重定位于宿主靶向抗病毒的可能性，评估了它们用于广谱抗病毒的潜力。大规模网络分析表明，尽管总体上看，天然药物成分重定位于广谱抗病毒空间有限，但靶向被多种病毒共用靶标蛋白的药物成分更有可能成为潜在的广谱抗病毒药物。
　　论文最后对全文所述工作进行了简要总结，并对下一步的工作计划进行了展望。

目录

声明

缩略词表

摘要

第一章 前言

1．1 论文研究背景

1．1．1 病原体感染关键宿主因子的系统整理

1．1．2 病毒感染关键宿主因子同病毒靶标蛋白的功能关联比较

1．1．3 基于关联网络的宿主靶向抗病毒药物重定位

1．1．4 基于靶标分析的天然药物抗癌可能性研究

1．1．5 基于关联网络探索天然药物重定位于宿主靶向抗病毒的潜力

1．2 论文的组织结构

第二章 病原体感染关键宿主因子的收集与整合

2．1 研究背景

2．2 对已有病原体感染及RNAi相关数据库的调研

2．2．1 GenomeRNAi

2．2．2 The RNAi Consortium(Pulic TRC Portal)

2．2．3 RNAi Codex

2．2．4 NCBI RNAi

2．2．5 IMBA

2．3 EHF的收集、整合与核实

2．3．1 手工整合

2．3．2 数据注释

2．3．3 数据更新

2．4 EHFPI数据库的分析工具

2．4．1 EHF重合分析

2．4．2 EHF-病原体网络分析

2．4．3 基因富集分析

2．4．4 病原体相互作用蛋白分析

2．4．5 药物靶标分析

2．4．6 GWAS候选基因分析

2．5 讨论

第三章 病毒感染关键宿主因子同病毒靶标蛋白的关联比较分析

3．1 研究背景

3．2 数据集与方法

3．2．1 两种病毒EHF数据的收集

3．2．2 VTP和人类蛋白质相互作用信息

3．2．3 病毒感染的宿主转录响应

3．2．4 EHF和VTP在人类PPI网络上的拓扑分析

3．2．5 KEGG通路分析

3．3 EHF与VTP数据集的重合情况

3．4 病毒感染过程中EHF与VTP在基因组规模上的宿主转录响应情况

3．5 PPI网络上的EHF与VTP

3．6 KEGG通路上的EHF与VTP

3．7 讨论

第四章 基于关联网络的宿主靶向抗病毒药物重定位策略

4．1 研究背景

4．2 病毒-宿主蛋白相互作用数据的收集和分析

4．3 已上市抗病毒药物信息的收集和分析

4．4 病毒-药物关联网络的构建与分析

4．5 对病毒-药物共用靶标的分析详解

4．6 对预测抗病毒药物的实验验证

4．6．1 抗登革病毒药物

4．6．2 抗乙肝病毒药物

4．7 讨论

第五章 基于靶标分析的天然药物治疗潜力研究

5．1 研究背景

5．2 天然药物、药物成分及其靶标的收集与分析

5．2．1 天然药物、药物成分和药物靶标之间的复杂关系

5．2．2 天然药物成分-直接靶标关联网络的建立

5．3 天然药物靶标富集分析

5．3．1 天然药物靶标与DrugBank药物靶标的重合情况

5．3．2 天然药物靶标的GO分析

5．4 天然药物的潜在治疗特性

5．5 讨论

第六章 基于关联网络探讨天然药物重定位于宿主靶向抗病毒的分析

6．1 研究背景

6．2 病毒-宿主蛋白相互作用网络及天然药物成分-靶标网络的建立

6．2．1 病毒-宿主蛋白相互作用网络的构建

6．2．2 天然药物成分-靶标网络的构建

6．3 天然药物抗病毒可能性分析

6．4 天然药物用于广谱抗病毒的潜力

6．5 讨论

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究课题展望

参考文献

综述

致谢

个人简历