Bioinformatic Exploration of Hub Genes in Acute-on-chronic Liver Failure and Verification of Traditional Chinese Medicine Candidates

WU Zhong; WU Bin; WEI Xiuyan

doi:10.13422/j.cnki.syfjx.20231016

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Bioinformatic Exploration of Hub Genes in Acute-on-chronic Liver Failure and Verification of Traditional Chinese Medicine Candidates

更新时间：2023-10-20

- Bioinformatic Exploration of Hub Genes in Acute-on-chronic Liver Failure and Verification of Traditional Chinese Medicine Candidates
  增强出版
- Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae Vol. 29, Issue 22, Pages: 79-87(2023)
- 作者机构：
  
  沈阳药科大学生命科学与生物制药学院，沈阳 110016
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13422/j.cnki.syfjx.20231016
  CLC： R284;R285;R289;R287;R22;R2-031;R33;R24
- Received：21 May 2023，
  
  Published Online：18 August 2023，
  
  Published：20 November 2023
- 稿件说明：
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吴忠,吴斌,魏秀岩.慢加急性肝衰竭关键基因的生物信息学探究及潜在中药预测验证[J].中国实验方剂学杂志,2023,29(22):79-87.

WU Zhong,WU Bin,WEI Xiuyan.Bioinformatic Exploration of Hub Genes in Acute-on-chronic Liver Failure and Verification of Traditional Chinese Medicine Candidates[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2023,29(22):79-87.
吴忠,吴斌,魏秀岩.慢加急性肝衰竭关键基因的生物信息学探究及潜在中药预测验证[J].中国实验方剂学杂志,2023,29(22):79-87. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20231016.

WU Zhong,WU Bin,WEI Xiuyan.Bioinformatic Exploration of Hub Genes in Acute-on-chronic Liver Failure and Verification of Traditional Chinese Medicine Candidates[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2023,29(22):79-87. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20231016.

摘要

目的

应用生物信息学方法探究慢加急性肝衰竭（ACLF）的关键基因，预测潜在治疗中药并实验验证其作用机制。

方法

利用Perl和R软件分析GSE142255数据集获取差异表达基因（DEGs），基于CytoHubba插件的5种算法鉴定DEGs蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络中的关键基因，并借助受试者工作特征（ROC）曲线和GSE168048数据集对关键基因进行验证分析；Coremine Medical数据库映射关键基因对应中药并分析其四气、五味、归经；中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP）和DEGs获取高频中药治疗ACLF的交集靶点，Cytoscape软件绘制关键基因-高频中药-活性成分-交集靶点网络图，并进行基因本体（GO）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析及体外实验。

结果

共获取388个DEGs，7个关键基因分别为CD4、整合素亚基

M（ITGAM）、CD2、淋巴细胞特异蛋白酪氨酸激酶（LCK）原癌基因，CC基序趋化因子配体5（CCL5）、基质金属蛋白酶-9（MMP-9）、Fc ε受体IG（FCER1G）。潜在治疗中药多为寒性、苦味、归肝经的药物，其中高频中药如白花蛇舌草、灵芝、黄芪和活性成分槲皮素、山柰酚、

-谷甾醇的潜在治疗价值重大。富集分析显示，中药除调控关键基因外，仍对自噬、氧化应激、炎症因子等多靶点、多通路发挥作用。L02细胞实验表明，与

-氨基半乳糖（

-GaLN）组比较，槲皮素组肿瘤坏死因子-

（TNF-

）、白细胞介素-6（IL-6）、丙二醛（MDA）水平和泛素结合蛋白p62、MMP-9蛋白表达明显降低（

0.05，

0.01），而超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽（GSH）水平和微管相关蛋白1轻链3 Ⅱ/Ⅰ（LC3 Ⅱ/Ⅰ）蛋白表达明显增加（

0.05，

0.01），且3-甲基腺嘌呤（3-MA）预处理可抑制槲皮素对L02细胞自噬激活作用。

结论

基于ACLF的关键基因，预测所得潜在治疗中药及活性成分具有重大研究价值，其中槲皮素对

-GaLN诱导L02细胞氧化应激、炎症反应的抑制及MMP-9的调控而具有治疗ACLF的潜力，其机制可能与其激活自噬相关。

Abstract

Objective

To explore the hub genes of acute-on-chronic liver failure （ACLF） using bioinformatics methods， predict the potential traditional Chinese medicines （TCMs） against ACLF， and verify the treatment mechanism based on experiments.

Method

Perl and R were used to analyze the GSE142255 dataset to obtain the differentially expressed genes （DEGs）， from which the hub genes in the protein-protein interaction of DEGs were identified by five algorithms of the CytoHubba plug-in. The receiver operating characteristic （ROC） curve and GSE168048 dataset were then used to verify the hub genes. Coremine Medical was employed to map the TCMs corresponding to the hub genes and then the natures， tastes， and meridian tropism of the TCMs were analyzed. The TCM systems pharmacology database and analysis platform （TCMSP） and DEGs were used to obtain the common targets shared by high-frequency TCMs and ACLF， and Cytoscape was used to establish the "hub gene-high-frequency TCM-active ingredient-common target" network. Furthermore， gene ontology （GO） annotation， Kyoto encyclopedia of genes and genomes （KEGG） enrichment analysis， and

in vitro

experiments were performed.

Result

A total of 388 DEGs were obtained， in which the 7 hub genes encoded CD4 integrin subunit alpha M （ITGAM）， CD2， lymphocyte-specific protein tyrosine kinase （LCK） proto-oncogene， C-C motif chemokine ligand 5 （CCL5）， matrix metallopeptidase-9 （MMP-9）， and Fc epsilon receptor IG （FCER1G）. The TCM candidates for treating ACLF were mainly cold， bitter， and had tropism to the liver meridian， among which the high-frequency TCMs （Hedyotis Diffusae Herba， Ganoderma， and Astragali Radix） and the active ingredients

（quercetin， kaempferol， and beta-sitosterol） had significant therapeutic potential. The enrichment analysis results showed that TCMs acted on multiple targets and pathways such as autophagy， oxidative stress， and inflammatory cytokines in addition to regulating hub genes. L02 cell experiments showed that the quercetin group had lower levels of tumor necrosis factor-

（TNF-

）， interleukin-6 （IL-6）， and malondialdehyde （MDA）， lower protein levels of ubiquitin-binding protein p62 and MMP-9， and higher levels of superoxide dismutase （SOD）， glutathione （GSH）， and microtubule-associated protein 1 light chain 3 Ⅱ/Ⅰ （LC3 Ⅱ/Ⅰ） than the

-galactosamine （

-GaLN） group （

0.05，

0.01）. In addition， the pretreatment with 3-methyladenine （3-MA） inhibited the activating effect of quercetin on the autophagy of L02 cells.

Conclusion

The potential TCMs and active ingredients predicted based on the hub genes of ACLF have a great research value. Quercetin has the potential to treat ACLF by inhibiting the

-GaLN-induced oxidative stress and inflammatory response in L02 cells and regulating the expression of MMP-9， which may be associated with the activation of autophagy.

关键词

Keywords

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