计算毒理学在内分泌干扰物筛选上的应用和展望

内分泌干扰物通过干扰内分泌系统导致多种疾病,如生殖疾病、肥胖症甚至癌症。然而,面对环境中大量潜在的内分泌干扰物,传统的体外、体内评估方法由于成本高、耗时长等问题,难以实现内分泌干扰物的高通量筛查。计算毒理学逐渐发展成为被美国环保局(Environmental Protection Agency,EPA)、经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)等机构所推荐的内分泌干扰物筛选与预测方法。本文综述了计算毒理学在内分泌干扰物筛选上的进展,主要包括分子对接和分子动力学模拟的应用,并对有害结局路径(adverse outcome pathway,AOP)的方法进行介绍和展望。     

内分泌干扰物对核受体二聚化影响的研究进展

环境内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals,EDCs)可模仿或拮抗天然激素与核受体结合,干扰核受体的同源或异源二聚,进而通过共调节因子的招募调控转录活性,最终引起内分泌干扰效应.目前研究主要针对EDCs与核受体的结合过程,忽视了其对核受体二聚化过程的影响,而该过程的阻断可直接导致转录失活.EDCs对于不同核受体二聚化的影响不同,只有激动剂EDCs能够促进雄激素受体(androgen receptor,AR)的同源二聚化,而雌激素受体(estrogen receptor,ER)在与具有激动或拮抗活性的EDCs结合后都可诱导ER二聚体的形成,但二聚化类型不同.通过检索ToxCast和Tox21数据库发现多达227种EDCs可以诱导ER二聚化,相比于ERα-ERα同源二聚体(6.09％ ～7.38％的活性率),EDCs更易诱导ERα-ERβ异源二聚体(11.25％ ～12.22％的活性率)和ERβ-ERβ同源二聚体(10.02％ ～11.69％的活性率).EDCs也能够差异性诱导其他核受体如维生素D受体(vitamin D receptor,VDR)与维甲酸X受体(retinoid X receptor,RXR)形成的异源二聚体,不同类型的二聚体对于研究EDCs转录活性的生理学相关性具有重要意义.基于经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)报告的参考化学品研究发现,相比于配受体结合活性,二聚活性与转录活性之间有着更好的相关关系.本文从EDCs介导的核受体二聚化转录机制、二聚化与转录活性间的关系以及二聚化研究方法三方面,总结EDCs对核受体二聚化的影响,以期为深入理解EDCs的分子作用机制,推进化合物的内分泌干扰风险评估提供参考.     

内分泌干扰物与哺乳动物核受体的相互作用

内分泌干扰物(EDCs)作用于哺乳动物生殖轴或甲状腺轴,影响生长、发育、繁殖、免疫等生理过程并诱发疾病。核受体介导途径是EDCs发挥内分泌干扰作用的最重要方式。在介绍EDCs对哺乳动物的毒性效应与机制的基础上,详细归纳了EDCs与核受体的相互作用,并总结了这一研究领域适用的研究方法。发现采用理论计算模拟、表面等离子共振、荧光偏振、细胞增殖、报告基因等技术方法,目前已经明确了邻苯二甲酸酯类、双酚类、有机氯农药等EDCs能够竞争结合雌激素受体、雄激素受体和/或甲状腺激素受体,以此为作用靶点通过受体介导途径发挥内分泌干扰效应。基于目前的研究现状,我们认为未来的研究应更加注重EDCs与孕激素受体及维甲酸受体的相互作用、膜受体介导途径以及体内实验与体外实验的有机结合。     

典型短链全氟替代品PFBA及PFBS对斑马鱼的内分泌干扰效应

全氟丁酸(PFBA)与全氟丁烷磺酸(PFBS)作为长链全氟化合物的替代化学品被广泛应用。2种替代品在环境中的残留量不断增加,对环境生物造成了不可忽视的潜在风险。本文通过分析PFBA与PFBS对斑马鱼体内卵黄蛋白原(VTG)、甲状腺激素三碘甲状腺原氨酸(T3)与四碘甲状腺原氨酸(T4)的影响,研究2种替代品对斑马鱼的内分泌干扰效应和作用机制。结果显示,VTG含量与PFBA和PFBS暴露浓度变化存在剂量-效应关系,雌雄斑马鱼体内血浆及全鱼和头尾匀浆中VTG水平均有上升。PFBA对斑马鱼体内VTG含量存在倒“U”型的剂量-效应关系,而PFBS的VTG含量存在正相关的剂量-效应关系。PFBA不同暴露浓度组对斑马鱼甲状腺素T3、T4水平具有抑制作用,均表现出显著性差异(P<0.01)。PFBS暴露的斑马鱼体内T3和T4的含量存在倒“U”型的剂量-效应关系,高浓度暴露组匀浆中对T3和T4的抑制率最高,达到36.74%和38.20%。结果表明,2种替代化学品PFBA与PFBS对斑马鱼表现出明显的内分泌干扰效应。     

双酚F对斑马鱼早期生命阶段内分泌干扰效应研究

双酚A(bisphenol,BPA)的内分泌干扰性导致许多国家出台了管控措施,双酚F(bisphenol F,BPF)作为其替代物被大量使用,并广泛存在于水体和食品中,导致人群和野生动物长期处于其慢性暴露过程中,可能会威胁人类和生态健康.以斑马鱼胚胎为研究模型,将其暴露于不同浓度的BPF中至受精后144 h(hours...     

受体功能区结构与环境内分泌干扰效应生物差异的关系

环境中存在的多种内分泌干扰物能够与生物体内的天然激素受体选择性结合并产生多种生物效应,由于受体功能区三维结构的不同,其内分泌干扰活性存在着种间、种内、组织间等的种种差异,限制了不同物种间毒性效应的外推研究,增加了环境内分泌干扰物筛选和风险评价的难度.论文综述了基于受体介导的环境内分泌干扰物生物活性与相应受体选择性及受体功能区结构关系的研究进展,并利用分子模拟方法分析探讨了雌激素受体与部分化合物结合作用模式,讨论了目前存在的问题,对以后有关方面的研究提出了建议.     

农药的内分泌干扰研究

环境污染物引起的内分泌干扰成为全球性环境问题之一.本文介绍了内分泌干扰物的检测方法.并从除草剂、杀虫剂、杀菌剂等三个方面介绍了农药所引起的内分泌干扰现象.在此基础上,简介手性农药内分泌干扰问题的重要性和研究现状,并进行展望.     

有机紫外防晒剂内分泌干扰效应研究进展

有机紫外防晒剂是一类新兴环境污染物,大量研究表明,部分有机紫外防晒剂能模拟生物体内多种激素的作用,干扰动物和人体正常的内分泌功能,造成严重的健康威胁.本文在大量文献调研的基础上,从个体水平、器官水平、细胞水平和分子水平4个层次,就有机紫外防晒剂对生殖系统、青春期发育、成活率、pS2蛋白、卵黄蛋白原及激素受体等多方面的影响进行了综述,以加深对紫外防晒剂的认识,也为紫外防晒剂的正确使用及相关部门对其进行科学管理提供参考.     

核受体超家族及其酵母双杂交检测技术

环境污染物的内分泌干扰问题近年来引起了极大的关注,大量研究证实:核受体是内分泌干扰的重要作用位点.论文在总结国内外相关研究基础上,对生物体内核受体超家族的组成、结构特征、作用模式进行了概括总结;对环境内分泌干扰物干扰核受体超家族最新研究进展给予了评述;对酵母双杂交检测技术的原理及其在核受体超家族和环境内分泌干扰效应研究中的应用进行了探讨,指出应将酵母双杂交检测技术与核受体超家族研究相结合,建立成组重组核受体基因双杂交酵母体系,应用于多种内分泌干扰效应和作用机制的系统研究.     

雄激素群勃龙对斑马鱼幼鱼尾鳍再生的影响机制研究

生物体的组织损伤是无法避免的,保持一定的组织修复和再生能力对于生物体而言极为重要。研究发现,包括环境雌激素在内的许多环境污染物能够影响鱼类的组织修复与再生,但雄激素是否有类似的毒性效应则未见报道。本研究以群勃龙作为雄激素的代表,首先通过斑马鱼幼鱼尾鳍再生模型,确认群勃龙能否影响斑马鱼幼鱼尾鳍再生;进一步地,通过与雄激素受体拮抗剂氟他胺的联合暴露,检测了雄激素受体、免疫系统和再生信号通路相关基因的转录水平变化,以及炎症细胞的招募与迁移,揭示雄激素干扰组织修复与再生的可能机理。研究表明,群勃龙(1 000 ng·L^-1)能抑制斑马鱼幼鱼尾鳍再生,而与氟他胺(30～300μg·L^-1)联合暴露之后,其抑制效应被显著缓解。在基因转录水平上,雄激素受体基因mRNA的变化确证了2个化合物分别对雄激素受体的激动或拮抗效应。同时,群勃龙单独暴露影响了免疫系统和再生信号通路相关基因的转录水平,而在联合暴露后,多数基因的转录水平恢复,并与对照组无差异;再生尾鳍处中性粒细胞数量变化也有类似的趋势。由此可以推断,群勃龙可能是通过雄激素受体途径,并随之干扰免疫系统和再...     

BDE-47对斑马鱼胚胎-幼鱼的急性毒性及氧化应激作用

为研究2,2',4,4'-四溴联苯醚(BDE-47)对斑马鱼胚胎-幼鱼急性毒性、氧化应激及细胞凋亡的影响,以受精后3 h的斑马鱼胚胎为染毒对象,用概率单位法计算BDE-47对斑马鱼胚胎-幼鱼的96 h-LC₅₀;再参照96 h-LC₅₀按一定比例级差设置0.25、0.5、1.0、2.0 mg·L^-1 4个浓度组和1个对照组(0 mg·L^-1)进行96 h半静水式毒性试验,检测斑马鱼超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量和细胞凋亡情况。结果表明,BDE-47对斑马鱼96 h的急性毒性LC₅₀为3.77 mg·L^-1(95%可信区间1.93～10.27 mg·L^-1);2.0 mg·L^-1剂量组与对照组相比,SOD活性和MDA含量显著增加,且CAT活性与BDE-47染毒浓度之间存在明显的剂量-效应关系;0.5 mg·L^-1 BDE-47染毒96 h后,即观察到斑马鱼幼鱼出现明显细胞凋亡,主要集中于神经管和脑部。研究表明,BDE-47可以影响斑马鱼体内抗氧化防御系统,并能诱导细胞凋亡;BDE-47导致神经组织的氧化损伤可能在动物神经毒性中起重要作用。     

孕激素左炔诺孕酮长期低剂量暴露对雄性斑马鱼的生殖毒性

孕激素是广泛使用的高生物活性药物,其残留广泛存在于水环境中,对水生生物造成潜在威胁。本论文研究孕激素左炔诺孕酮(LNG)长期暴露对雄性斑马鱼的生殖毒性。将斑马鱼胚胎暴露于环境相关浓度的LNG(10, 33, 100 ng·L~(-1))至性成熟(受精后142 d),得到100%的雄性斑马鱼。将得到的雄鱼与未暴露的雌鱼配对,结果发现100 ng·L~(-1) LNG处理组雄鱼使得未暴露雌鱼产卵的数量较对照组雄鱼使得未暴露雌鱼产卵的数量显著减少。33和100 ng·L~(-1)处理组雄鱼与未暴露雌鱼配对所得子代在受精后7 d内的存活率较对照组雄鱼与未暴露雌鱼配对所得子代的存活率显著降低。33 ng·L~(-1) LNG显著升高总活力、活跃精子活力、平均路径速度、直线运动速度、曲线运动速度等精子活力参数,但其他浓度的LNG并不影响精子的活力。LNG在33和100 ng·L~(-1)的浓度下显著降低雄鱼血浆中11-酮基睾酮(11-KT)的含量,且在3个浓度下均显著降低雄鱼血浆中雌二醇(E2)的含量,但对睾酮(T)无明显影响。此外,LNG暴露可干扰雄鱼大脑和精巢中孕激素受体(npr, mprα, mprβ)、雌激素受体(erα, erβ)以及雄激素受体(ar)的转录,可能通过这些受体途径参与生殖调控。研究结果表明环境相关浓度的左炔诺孕酮长期暴露可导致雄性斑马鱼的生殖内分泌干扰效应,并提示:仅雄鱼单独受孕激素暴露影响,也可能对鱼类种群的生殖产生深远影响。     

多溴二苯醚及其代谢物的内分泌干扰活性和构效关系研究进展

多溴二苯醚(Polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)作为一种良好的防火溴系阻燃剂(Brominated flame retardants,BFRs)广泛应用于各种家用和工业产品.研究表明,PBDEs容易从产品中溢出而进入环境.近年来,PBDEs及其代谢物已在各种环境介质和生物体中被广泛检出.毒理学研究发现,PBDEs及其代谢物具有生殖毒性、免疫毒性、神经毒性和内分泌干扰作用.在总结国内外相关研究基础上,论文综述了PBDEs及其代谢物的内分泌干扰活性,重点集中在对甲状腺激素活性、雌激素活性、雄激素活性及影响性激素转化和代谢的芳香化酶、CYP17酶、雌二醇磺基转移酶(E2SULT)活性的影响;分析了具有不同测试终点内分泌干扰活性的化合物的结构特征.研究发现,在内分泌干扰活性方面,PBDEs母体化合物的影响较小,主要是PBDEs代谢物产生的影响,特别是羟基化代谢物引起了较严重的内分泌干扰作用,即PBDEs化合物是一类通过代谢而被活化的内分泌干扰前趋物.为评价PBDEs及其代谢物对人和其他生物的健康危害,应加强其内分泌干扰活性机制的研究,以及具有同类型作用模式的PBDEs及其代谢物定量结构-活性关系的研究.     

十溴二苯乙烷对部分血糖内分泌干扰的计算机辅助理论研究

随着十溴二苯乙烷(decabromodiphenyl ethane,DBDPE)的大量应用,它已经广泛存在于各种环境介质中,具有潜在的生物毒性。为了探究DBDPE影响血糖代谢水平的具体作用机制,应用DS3.5软件将其与部分血糖内分泌蛋白受体进行分子对接,并利用DBDPE类似物来构建三维定量构效关系(3D-QSAR)模型,预测出DBDPE的半最大效应浓度的负对数值(-log EC50)为5.86。结果表明,DBDPE是通过与部分血糖内分泌受体(雌激素受体、甲状腺激素受体和孕激素受体)结合而影响血糖代谢水平的。另外,根据构建模型,可以预测类似DBDPE的未知内分泌干扰物的活性数据。这些为认识DBDPE在机体内的作用机制、全面评价它的生态风险提供了理论依据。     

雄激素1,4-雄烯二酮和雄烯二酮对斑马鱼胚胎昼夜节律和下丘脑-垂体-性腺轴通路中基因转录表达的影响

雄激素1,4-雄烯二酮(androstadienedione, ADD)和雄烯二酮(androstenedione, AED)主要用于人类和牲畜疾病的预防和治疗。近年来,ADD和AED的大量使用导致其在河流中广泛检出,甚至在多种鱼类体内亦有检出,且浓度较高。ADD和AED已被证实对鱼类具有生殖毒性和发育毒性,但ADD和AED在转录水平上对鱼类的影响鲜有报道。为探究ADD和AED分子水平毒性,本研究考察了斑马鱼胚胎暴露于ADD(4.48、30.0和231 ng·L~(-1))和AED(3.64、21.7和230 ng·L~(-1))144 h后,对其昼夜节律和下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamic-pituitary-gonadal axis, HPG axis)通路中基因转录表达的影响。结果表明,所有浓度的ADD都显著上调了昼夜节律通路中生物钟基因(per1b)、核受体亚族1的D群基因(nr1d2b)、隐花色素基因(cry5)和si:ch211-132b12.7的转录水平,30.0和231 ng·L~(-1)的ADD下调了时钟节律调节因子基因(clocka)和芳香烃受体核转录蛋白样基因(arntl2)的转录水平。3.64 ng·L~(-1)AED显著增强了per1b和nr1d2b的转录表达。此外在HPG轴中,30.0 ng·L~(-1)ADD显著降低了促黄体生成素V亚基基因(lhb)的转录表达水平,而3.64 ng·L~(-1)AED显著上调了lhb的转录表达水平。值得注意的是,4.48ng·L~(-1)ADD和3.64 ng·L~(-1)AED均显著降低了细胞色素P450的11亚族基因(cyp11b)的转录表达水平。上述研究表明,ADD和AED对昼夜节律和HPG轴中相关基因的转录表达有显著性影响,对斑马鱼具有潜在的内分泌干扰风险。     

对特辛基苯酚干扰雌激素受体作用的分子基础及其对ERβ亚型选择性结合的理论研究

对特辛基苯酚(4-tert-octylphenol,PTOP)是一种环境内分泌干扰物。已有研究发现虽然其能够直接与雌激素受体(estrogen receptor,ER)的两种亚型(ERα,ERβ)结合并产生干扰效应,但其结合能力却各不相同,PTOP对ERβ表现出更强的结合活性。为了探究PTOP与ER结合的分子机制及其对ER两种亚型的选择性机制,本文采用分子动力学模拟对PTOP-ER复合物进行了研究,并利用MM-GBSA方法计算了结合自由能。结果表明,范德华作用是维持PTOP与ER结合的主要驱动力;而极性相互作用的差异是导致PTOP对ERα和ERβ产生选择性结合的重要因素,PTOP与ERα之间的极性溶剂化作用阻碍了两者的结合。将PTOP与ER的天然底物雌二醇进行比较,发现PTOP与ER口袋之间缺乏氢键稳定二者结合,因此PTOP的结合活性较低。计算模拟亦指出了PTOP结合过程中发挥重要作用的关键氨基酸。以上计算结果将有助于我们进一步理解PTOP影响ER介导生理过程的干扰机制。     

G蛋白偶联雌激素受体1介导的环境雌激素效应研究进展

环境雌激素进入生物体后,可通过多种方式介导发挥类似内源雌激素的作用,干扰生物体的正常功能,进而对生物体产生毒害作用。其中,基因组方式介导的雌激素效应主要通过与细胞核内的雌激素受体(如ERα和ERβ)结合;而非基因组方式介导的雌激素效应则主要通过与膜雌激素受体结合从而发挥作用。近年来对G蛋白偶联雌激素受体1(GPER1)的研究表明,该受体是区别于雌激素核受体的膜雌激素受体,可单独介导雌激素诱发的非基因组方式雌激素效应,然而目前对其介导的雌激素效应机制研究并不完善。综上,本文结合近年来对GPER1的研究进展,从该受体的发现、特性以及其介导的雌激素效应和相关通路进行了综述。