化學 生物 

多變多巴胺——第一部：ChEBI:18243

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多巴胺是什麼？如果一張圖就能告訴我們許多多巴胺知識，而且，這些知識是由許多科學家合力建立完成的；如果一張圖就能提供多巴胺關鍵的連結，對於我們快速掌握多巴胺的資訊結構有多大幫助？試試看，透過多巴胺在一個知識庫中有一個身分證號碼：18243，ChEBI知識本體，開始帶領我們透視化學多巴胺與連結即時更新的豐富資源探索旅程。

撰文｜A. H.

繼《多變多巴胺——前傳》得知多巴胺的知識內容涵蓋多變面向，會因時空變化而變化，因觀察角度不同而不同。通常開始介紹多巴胺時，會說明「她」是兒茶酚／兒茶酚胺和苯乙胺家族的有機化學物質。但先等等，突然出現的這麼多化合物名稱是什麼？這一脈的科學家族祖譜又是怎回事？對於複雜的資訊，我們可以利用整合知識單位廣度和深度的利器，也就是所謂的知識圖譜 (Knowledge Graph, KG) 與釐清知識間架構與「關係」的知識本體 (ontology)。這裡提到的本體，原是由各學門學者所建立，提供電腦「理解」資料語意來運算，以機器可讀的通用格式進行描述，整合其他知識來源應用於不同領域的方法。

圖1：多巴胺在化學知識架構中屬於兒茶酚／兒茶酚胺和苯乙胺家族｜來源：作者提供

大家最熟悉的KG莫過於Google搜尋結果右側顯示的資訊框了。作為一個理解現實世界的實體 (entity) 及其彼此關係 (relation) 的圖框，目前最常出現的就是結構化資料庫——維基百科的資訊，而這背後的智慧其中之一，就是來自本體的語意架構【1】,【2】。若將本體放在科普脈絡中，則有助於我們快速掌控資訊，也就是所謂一圖勝千言。因本體具備了將資料可視化、結合圖像與文字知識樹的優勢，協助讀者從熟悉的視覺表現，進入抽象科學理解，因此接下來我們將嘗試使用不同的本體，來傳達多巴胺複雜的故事，帶領讀者分別從微觀和宏觀的角度獲得多巴胺概念，並更準確地理解「她」的屬性、結構和基本知識。

 

知識本體ChEBI

以生物醫學本體而言，每個知識單元（實體或節點）代表的是特定的生物或化學實體（如基因、細胞、疾病、藥物等），提供了每個化合物重要的特徵。本體中，每個連結的邊 (relation) 則是描述實體間的相互作用或關係（如「藥物治療疾病」或「細胞上調基因」）。因此，以使用標準詞彙的「生物感興趣的化學實體」 (Chemical Entities of Biological Interest, ChEBI) 作為正式瞭解多巴胺的入門，相當符合我們對多巴胺分子結構、在生物學中的作用與實體間通用和化學特定關係（如圖2描述的關係類型與家族譜系），同時兼顧了廣泛與深入理解的需求。

圖2：多巴胺在ChEBI: 18243本體中部分知識架構樹視圖｜來源：作者提供

ChEBI是總部設在海德堡的歐洲生物資訊學研究所 (EMBL-EBI) 所開放的生物醫學本體 (OBO) 的一部分，專注於整合、闡述「小」化合物的資料。「分子實體」是指任何結構上或同位素上不同的原子、分子、離子、離子對、自由基、自由基離子、複合物、構象異構物等。可識別為單獨區分的實體，所討論的分子實體要麼是自然產物，要麼是用於干預生物體過程的合成產物。ChEBI包含本體分類與指定分子實體，或實體類別與其父母和／或子實體 (parents and/or children) 之間的關係【3】，通常描述為「父子關係」。

 

ChEBI本體中的多巴胺

多巴胺 (ChEBI：18243) 在ChEBI中的定義為：兒茶酚，其中，4位的氫被2-aminoethyl群取代。18243是ChEBI提供給每個實體的「唯一識別碼」。在圖2中，ChEBI：18243是主族分子實體 (ChEBI：33579) 一族，包含元素週期表第1、2、13、14、15、16、17和18族中，任何一組的一個或多個原子的分子實體。多巴胺在此樹視圖中，可被描述為「是一個」兒茶酚胺 (ChEBI：33567)、單胺分子信使 (ChEBI：25375) 和有機分子實體 (ChEBI：50860)。

圖3：多巴胺 (ChEBI: 18243) 在ChEBI本體的圖形檢視呈現「是」和「屬於」關係的可視化｜來源：作者提供

然而，多巴胺在化學實體上，還屬於另一分支家族：酚類 (ChEBI：33853)。如圖3所檢視可知，多巴胺也「是一個」多原子實體 (ChEBI：36357)、有機芳香族化合物 (ChEBI：33659)，是兒茶酚 (ChEBI：33566)。而在圖1中，亦可得知多巴胺的共軛鹼基和共軛酸是多巴胺 (1+) (ChEBI：59905)，是人類代謝反應期間所產生的任何哺乳動物「代謝物」，在生物學上的作用與神經傳導物質障礙有關，後續文章我們會再使用其他的知識本體來進一步介紹。

圖4：在ChEBI本體中查找包含類似多巴胺結構的化合物｜來源：ChEBI

在ChEBI的一個主要關係類別「has role（具有作用）」中，描述了多巴胺的生物學作用 (ChEBI：24432)，包括了β-腎上腺素能激動劑、大腸桿菌代謝物、多巴胺能藥物、擬交感神經劑、小鼠代謝物以及人體代謝物。而應用關係 (ChEBI：33232) 則描述人類對分子實體或其部分的預期用途，因此多巴胺的應用層面包括：強心藥、β-腎上腺素能激動劑、多巴胺能藥物與擬交感神經劑等，亦在本體中有描述與連結。若我們利用ChEBI中的「has part (有部分)」關係查詢，也可找到包含多巴胺結構的化合物，目前至少包括了1372個實體，也可找到59種類似於這種結構的化合物，如圖4所示。

最新版本 (2024/04/09) 的ChEBI收錄了包含近6.2萬化合物和超過19萬筆的「關係」。ChEBI的應用廣泛，包括生物醫學知識圖譜的建置【4】、其豐富層次結構和其他關係類型，可為識別阿茲海默氏症和失智文獻中的化學實體提供治療的協助【5】。那麼最後再問，直接使用ChEBI的多巴胺與大眾直接溝通行得通嗎？當然行！如圖5所示，美國國家醫學圖書館與國立衛生研究院 (NIH) 的開放化學資料庫PubChem，以ChEBI: 18243作為描述多巴胺的資訊來源【6】。另外，新聞媒體介紹多巴胺在疼痛上的作用時【7】，即是直接引用ChEBI: 18243作為資料來源喔！ChEBI所描述的多巴胺是一個化學實體，「她」的「細胞家族譜系」又是一個什麼樣的故事呢？（待續）

圖5：PubChem以ChEBI: 18243作為描述多巴胺的資料來源｜來源：ChEBI

 

參考文獻

  1. Singhal, A. (2012), Introducing the Knowledge Graph: things, not strings.
  2. Chah, N. (2018). OK Google, What Is Your Ontology? Or: Exploring Freebase Classification to Underst and Google's Knowledge Graph . arXiv preprint arXiv:1805.03885.
  3. Degtyarenko, K., De Matos, P., Ennis, M., Hastings, J., Zbinden, M., McNaught, A., ... & Ashburner, M. (2007). ChEBI: a d atabase and ontology for chemical entities of biological interest. Nucleic acids research , 36(suppl_1), D344 D350.
  4. Fernández Torras, A., Duran Frigola, M., Bertoni, M., Locatelli, M., & Aloy, P. (2022). Integrating and formatting biomedical data as pre calculated knowledge graph embeddings in the Bioteque . Nature Communications, 13(1), 5304.
  5. Mullin, S., McDougal, R., Cheung, K. H., Kilicog lu, H., Beck, A., & Zeiss, C. J. (2023). Chemical Entity Normalization for Successful Translational Development of Alzheimer's Disease and Dementia Therapeutics . Research Square, rs-3.
  6. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 681, Dopamine. 
  7. News Medical. Role of Dopamine in Pain , Aug 21, 2023.

 

✨延伸閱讀：《多變多巴胺——前傳》

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