Please wait a minute...
Quantitative Biology

ISSN 2095-4689

ISSN 2095-4697(Online)

CN 10-1028/TM

邮发代号 80-971

Quantitative Biology  2015, Vol. 3 Issue (3): 124-134   https://doi.org/10.1007/s40484-015-0051-0
  RESEARCH ARTICLE 本期目录
Network-based method to infer the contributions of proteins to the etiology of drug side effects
Rui Li1,Ting Chen1,2,*(),Shao Li1,*()
1. MOE Key Laboratory of Bioinformatics and Bioinformatics Division, TNLIST, Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Program in Computational Biology and Bioinformatics, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA
 全文: PDF(930 KB)   HTML
Abstract

Studying the molecular mechanisms that underlie the relationship between drugs and the side effects they produce is critical for drug discovery and drug development. Currently, however, computational methods are still unavailable to assess drug-protein interactions with the aim of globally inferring the contributions of various classes of proteins toward the etiology of side effects. In this work, we integrated data reflecting drug-side effect relationships, drug-target relationships, and protein-protein interactions to develop a novel network-based probabilistic model, SidePro, to evaluate the contributions of proteins toward the etiology of side effects. For a given side effect, the method applies an expectation---maximization algorithm and a diffusion kernel-based approach to estimate each protein’s contribution. We applied this method to a wide range of side effects and validated the results using cross-validation and records from the Side Effect Resource database. We also studied a specific side effect, nephrotoxicity, which is known to be associated with the irrational use of the Chinese herbal compound triptolide, a diterpenoid epoxide in the Thunder of God Vine, <?A3B2 tf="Times New Roman Bold Italic (TrueType)"?>Tripterygium wilfordii Lei-Gong-Teng. Using triptolide as an example, we scored the target proteins of triptolide using our model and investigated the high-scoring proteins and their related biological processes. The results demonstrated that our model could differentiate between the potential side effect targets and therapeutic targets of triptolide. Overall, the proposed model could accurately pinpoint the molecular mechanisms of drug side effects, thus making contribution to safe and effective drug development.

Key wordsnetwork pharmacology    drug targets    side effects    triptolide
收稿日期: 2015-04-15      出版日期: 2015-11-04
Corresponding Author(s): Ting Chen,Shao Li   
 引用本文:   
. [J]. Quantitative Biology, 2015, 3(3): 124-134.
Rui Li, Ting Chen, Shao Li. Network-based method to infer the contributions of proteins to the etiology of drug side effects. Quant. Biol., 2015, 3(3): 124-134.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/qb/CN/10.1007/s40484-015-0051-0
https://academic.hep.com.cn/qb/CN/Y2015/V3/I3/124
Fig.1  
Category Enriched GO terms/pathways P-value
GO biological processes renal system process 0.00213
renal system process involved in regulation of systemic arterial blood pressure 0.0629
renal control of peripheral vascular resistance involved in regulation of systemic arterial blood pressure 0.0274
kidney development 0.0592
regulation of blood volume by renin-angiotensin 0.00228
regulation of systemic arterial blood pressure by renin-angiotensin 0.00441
regulation of blood vessel size by renin-angiotensin 0.027466
regulation of systemic arterial blood pressure by circulatory renin-angiotensin 0.07159
response to oxidative stress 0.018
regulation of apoptosis 0.0029
Pathways renin-angiotensin system 0.0347
renal cell carcinoma 0.0334
mTOR signaling pathway 0.0125
MAPK signaling pathway 0.00644
B cell receptor signaling pathway 0.0416
VEGF signaling pathway 0.00185
ErbB signaling pathway 0.0176
GnRH signaling pathway 0.00704
Tab.1  
Fig.2  
Fig.3  
1 Scheiber, J., Chen, B., Milik, M., Sukuru, S. C. K., Bender, A., Mikhailov, D., Whitebread, S., Hamon, J., Azzaoui, K., Urban, L., et al. (2009) Gaining insight into off-target mediated effects of drug candidates with a comprehensive systems chemical biology analysis. J. Chem. Inf. Model, 49, 308–317
https://doi.org/10.1021/ci800344p pmid: 19434832
2 Berger, S. I. and Iyengar, R. (2011) Role of systems pharmacology in understanding drug adverse events. Wiley Interdiscip. Rev. Syst. Biol. Med., 3, 129–135
https://doi.org/10.1002/wsbm.114 pmid: 20803507
3 Roses, A. D. (2004) Pharmacogenetics and drug development: the path to safer and more effective drugs. Nat. Rev. Genet., 5, 645–656
https://doi.org/10.1038/nrg1432 pmid: 15372086
4 Stevens, J. L. and Baker, T. K. (2009) The future of drug safety testing: expanding the view and narrowing the focus. Drug Discov. Today, 14, 162–167
https://doi.org/10.1016/j.drudis.2008.11.009 pmid: 19100337
5 Shah, R. R. (2006) Can pharmacogenetics help rescue drugs withdrawn from the market? Pharmacogenomics, 7, 889–908
https://doi.org/10.2217/14622416.7.6.889 pmid: 16981848
6 Zhang, W., Roederer, M. W., Chen, W.-Q., Fan, L. and Zhou, H.-H. (2012) Pharmacogenetics of drugs withdrawn from the market. Pharmacogenomics, 13, 223–231
https://doi.org/10.2217/pgs.11.137 pmid: 22256871
7 Liebler, D. C. and Guengerich, F. P. (2005) Elucidating mechanisms of drug-induced toxicity. Nat. Rev. Drug Discov., 4, 410–420
https://doi.org/10.1038/nrd1720 pmid: 15864270
8 Li, R., Ma, T., Gu, J., Liang, X. and Li, S. (2013) Imbalanced network biomarkers for traditional Chinese medicine Syndrome in gastritis patients. Sci. Rep., 3, 1543
https://doi.org/10.1038/srep01543 pmid: 23529020
9 Zhao, S. and Li, S. (2010) Network-based relating pharmacological and genomic spaces for drug target identification. PLoS One, 5, e11764
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0011764 pmid: 20668676
10 Zhang, B., Wang, X. and Li, S. (2013) An integrative platform of TCM network pharmacology and its application on an herbal formula, Qing-Luo-Yin. Evid-Based Compl. Alt. Med., 2013, 456747
https://doi.org/10.1155/2013/456747 pmid: 23653662
11 Li, S., Zhang, B., Jiang, D., Wei, Y. and Zhang, N. (2010) Herb network construction and co-module analysis for uncovering the combination rule of traditional Chinese herbal formulae. BMC Bioinformatics, 11, S6
https://doi.org/10.1186/1471-2105-11-S11-S6 pmid: 21172056
12 Li, S., Zhang, B. and Zhang, N. (2011) Network target for screening synergistic drug combinations with application to traditional Chinese medicine. BMC Syst Biol, 5, S10
https://doi.org/10.1186/1752-0509-5-S1-S10 pmid: 21689469
13 Liang, X., Li, H. and Li, S. (2014) A novel network pharmacology approach to analyse traditional herbal formulae: the Liu-Wei-Di-Huang pill as a case study. Mol. Biosyst., 10, 1014–1022
https://doi.org/10.1039/c3mb70507b pmid: 24492828
14 Scheiber, J., Jenkins, J. L., Sukuru, S. C. K., Bender, A., Mikhailov, D., Milik, M., Azzaoui, K., Whitebread, S., Hamon, J., Urban, L., et al. (2009) Mapping adverse drug reactions in chemical space. J. Med. Chem., 52, 3103–3107
https://doi.org/10.1021/jm801546k pmid: 19378990
15 Lee, S., Lee, K. H., Song, M. and Lee, D. (2011) Building the process-drug-side effect network to discover the relationship between biological processes and side effects. BMC Bioinformatics, 12, S2
https://doi.org/10.1186/1471-2105-12-S2-S2 pmid: 21489221
16 Wallach, I., Jaitly, N. and Lilien, R. (2010) A structure-based approach for mapping adverse drug reactions to the perturbation of underlying biological pathways. PLoS One, 5, e12063
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0012063 pmid: 20808786
17 Atias, N. and Sharan, R. (2011) An algorithmic framework for predicting side effects of drugs. J. Comput. Biol., 18, 207–218
https://doi.org/10.1089/cmb.2010.0255 pmid: 21385029
18 Huang, L. C., Wu, X. and Chen, J. Y. (2013) Predicting adverse drug reaction profiles by integrating protein interaction networks with drug structures. Proteomics, 13, 313–324
https://doi.org/10.1002/pmic.201200337 pmid: 23184540
19 Yamanishi, Y., Pauwels, E. and Kotera, M. (2012) Drug side-effect prediction based on the integration of chemical and biological spaces. J. Chem. Inf. Model, 52, 3284–3292
https://doi.org/10.1021/ci2005548 pmid: 23157436
20 Huang, L. C., Wu, X. and Chen, J. Y. (2011) Predicting adverse side effects of drugs. BMC Genomics, 12, S11
https://doi.org/10.1186/1471-2164-12-S5-S11 pmid: 22369493
21 Mizutani, S., Pauwels, E., Stoven, V., Goto, S. and Yamanishi, Y. (2012) Relating drug-protein interaction network with drug side effects. Bioinformatics, 28, i522–i528
https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts383 pmid: 22962476
22 Kuhn, M., Al Banchaabouchi, M., Campillos, M., Jensen, L. J., Gross, C., Gavin, A.-C. and Bork, P. (2013) Systematic identification of proteins that elicit drug side effects. Mol. Syst. Biol., 9, 663
https://doi.org/10.1038/msb.2013.10 pmid: 23632385
23 Lounkine, E., Keiser, M. J., Whitebread, S., Mikhailov, D., Hamon, J., Jenkins, J. L., Lavan, P., Weber, E., Doak, A. K., Côté, S., et al. (2012) Large-scale prediction and testing of drug activity on side-effect targets. Nature, 486, 361–367
pmid: 22722194
24 Wallach, I., Jaitly, N. and Lilien, R. (2010) A structure-based approach for mapping adverse drug reactions to the perturbation of underlying biological pathways. PLoS One, 5, e12063
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0012063 pmid: 20808786
25 Kuhn, M., Campillos, M., Letunic, I., Jensen, L. J. and Bork, P. (2010) A side effect resource to capture phenotypic effects of drugs. Mol. Syst. Biol., 6, 343
https://doi.org/10.1038/msb.2009.98 pmid: 20087340
26 Vanherweghem, J. L., Depierreux, M., Tielemans, C., Abramowicz, D., Dratwa, M., Jadoul, M., Richard, C., Vandervelde, D., Verbeelen, D., Vanhaelen-Fastre, R., et al. (1993) Rapidly progressive interstitial renal fibrosis in young women: association with slimming regimen including Chinese herbs. Lancet, 341, 387–391
https://doi.org/10.1016/0140-6736(93)92984-2 pmid: 8094166
27 Allard, T., Wenner, T., Greten, H. J. and Efferth, T. (2013) Mechanisms of herb-induced nephrotoxicity. Curr. Med. Chem., 20, 2812–2819
https://doi.org/10.2174/0929867311320220006 pmid: 23597204
28 Nowack, R., et al. (2011) Herbal treatments of glomerulonephritis and chronic renal failure: Review and recommendations for research. J. Pharm. Phyt., 3, 124–136
29 Knox, C., Law, V., Jewison, T., Liu, P., Ly, S., Frolkis, A., Pon, A., Banco, K., Mak, C., Neveu, V., et al. (2011) DrugBank 3.0: a comprehensive resource for ‘omics’ research on drugs. Nucleic Acids Res., 39, D1035–D1041
https://doi.org/10.1093/nar/gkq1126 pmid: 21059682
30 Kuhn, M., Szklarczyk, D., Franceschini, A., von Mering, C., Jensen, L. J. and Bork, P. (2012) STITCH 3: zooming in on protein-chemical interactions. Nucleic Acids Res., 40, D876–D880
https://doi.org/10.1093/nar/gkr1011 pmid: 22075997
31 Peri, S., Navarro, J. D., Amanchy, R., Kristiansen, T. Z., Jonnalagadda, C. K., Surendranath, V., Niranjan, V., Muthusamy, B., Gandhi, T. K., Gronborg, M., et al. (2003) Development of human protein reference database as an initial platform for approaching systems biology in humans. Genome Res., 13, 2363–2371
https://doi.org/10.1101/gr.1680803 pmid: 14525934
32 Bader, G. D., Donaldson, I., Wolting, C., Ouellette, B. F., Pawson, T. and Hogue, C. W. (2001) BIND — The Biomolecular Interaction Network Database. Nucleic Acids Res., 29, 242–245
https://doi.org/10.1093/nar/29.1.242 pmid: 11125103
33 Kerrien, S., Aranda, B., Breuza, L., Bridge, A., Broackes-Carter, F., Chen, C., Duesbury, M., Dumousseau, M., Feuermann, M., Hinz, U., et al. (2012) The IntAct molecular interaction database in 2012. Nucleic Acids Res., 40, D841–D846
https://doi.org/10.1093/nar/gkr1088 pmid: 22121220
34 Licata, L., Briganti, L., Peluso, D., Perfetto, L., Iannuccelli, M., Galeota, E., Sacco, F., Palma, A., Nardozza, A. P., Santonico, E., et al. (2012) MINT, the molecular interaction database: 2012 update. Nucleic Acids Res., 40, D857–D861
https://doi.org/10.1093/nar/gkr930 pmid: 22096227
35 Brown, K. R. and Jurisica, I. (2005) Online predicted human interaction database. Bioinformatics, 21, 2076–2082
https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bti273 pmid: 15657099
36 Szaszák, M., Chen, H.-D., Chen, H.-C., Baukal, A., Hunyady, L. and Catt, K. J. (2008) Identification of the invariant chain (CD74) as an angiotensin AGTR1-interacting protein. J. Endocrinol., 199, 165– 176
https://doi.org/10.1677/JOE-08-0190 pmid: 18719072
37 Basile, D. P., Liapis, H. and Hammerman, M. R. (1997) Expression of bcl-2 and bax in regenerating rat renal tubules following ischemic injury. Am. J. Physiol., 272, F640–F647
pmid: 9176375
38 Zhou, H., Miyaji, T., Kato, A., Fujigaki, Y., Sano, K. and Hishida, A. (1999) Attenuation of cisplatin-induced acute renal failure is associated with less apoptotic cell death. J. Lab. Clin. Med., 134, 649–658
https://doi.org/10.1016/S0022-2143(99)90106-3 pmid: 10595794
39 Qiu, L.-Q., Sinniah, R. and I-Hong Hsu, S. (2004) Downregulation of Bcl-2 by podocytes is associated with progressive glomerular injury and clinical indices of poor renal prognosis in human IgA nephropathy. J. Am. Soc. Nephrol., 15, 79–90
https://doi.org/10.1097/01.ASN.0000104573.54132.2E pmid: 14694160
40 Harris, R. C. (2006) COX-2 and the kidney. J. Cardiovasc. Pharmacol., 47, S37–S42
https://doi.org/10.1097/00005344-200605001-00007 pmid: 16785827
41 Fujihara, C. K., Antunes, G. R., Mattar, A. L., Andreoli, N., Malheiros, D. M., Noronha, I. L., Zatz, R. and Zatz, R. (2003) Cyclooxygenase-2 (COX-2) inhibition limits abnormal COX-2 expression and progressive injury in the remnant kidney. Kidney Int., 64, 2172–2181
https://doi.org/10.1046/j.1523-1755.2003.00319.x pmid: 14633140
42 Kondor, R. I. and Lafferty, J. D. (2002) Diffusion kernels on graphs and other discrete input spaces. Proceedings, ICML, 2, 315–322 
43 Subramanian, A., Tamayo, P., Mootha, V. K., Mukherjee, S., Ebert, B. L., Gillette, M. A., Paulovich, A., Pomeroy, S. L., Golub, T. R., Lander, E. S., et al. (2005) Gene set enrichment analysis: a knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 15545–15550
https://doi.org/10.1073/pnas.0506580102 pmid: 16199517
44 Chang, C.-C. and Lin, C.-J. (2011) LIBSVM: a library for support vector machines. ACM Trans. Intell. Syst. Technol., 2, 27 . 
https://doi.org/10.1145/1961189.1961199
45 Lin, C.-J. and Weng, R. C. (2004) Simple probabilistic predictions for support vector regression. Technical report, National Taiwan University, Taipei. 
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed