PAEs對線粒體轉錄因子A蛋白相對表達量的影響及3D-QSAR模型構建

朱思俞，劉煥，韓文娜，李中意，柳春紅,*

1. 華南農業大學食品學院，廣州 510642 2. 廣東省食品質量安全重點實驗室，廣州 510642

鄰苯二甲酸酯類(phthalate esters, PAEs)是一類用途廣泛的工業化學品，作為增塑劑以軟化聚氯乙烯產品[1]。PAEs是目前世界上生產量大、應用面廣的人工合成有機化合物之一，是一類重要的環境激素類化合物。近年來，隨著工業生產和塑料制品的大量使用，導致PAEs在大氣、水體和土壤等自然環境中普遍存在[2]。PAEs類物質目前已廣泛存在于人體組織中，對人體健康產生極大危害。美國環境保護局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)將6種PAEs列為優先控制污染物，包括鄰苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate, DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate, DEP)、鄰苯二甲酸二正丁酯(dibutyl phthalate, DBP)、鄰苯二甲酸芐基丁酯(benzyl butyl phthalate, BBP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(bis(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(di-n-octyl phthalate, DNOP)[3]。已有研究證明，PAEs的毒理學效應主要有類雌激素效應，生殖毒性、發育毒性以及其他毒性[4]。此外，暴露于DEHP的嚙齒類動物的肝細胞發生癌變，促進線粒體增殖、凋亡等[5]。

肝臟是PAEs毒性的靶器官，PAEs暴露會影響肝功能[6]。而線粒體在肝細胞中含量豐富，當肝細胞暴露于PAEs時，線粒體生物發生障礙[7]。線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A, Tfam)是調控線粒體生物發生最重要的調控因子之一，參與線粒體DNA(mtDNA)復制、轉錄以及拷貝數的調節[8]。Tfam缺失會導致線粒體生物發生的降低和線粒體功能障礙，而線粒體作為“細胞能量工廠”，當線粒體生物合成降低時，線粒體向細胞傳遞危險信號，最終導致細胞走向死亡[9]。但關于PAEs是如何影響Tfam蛋白相對表達量的研究甚少。通過PAEs對Tfam蛋白相對表達量的影響，可進一步預測PAEs對HepG2細胞線粒體的影響。然而，由于PAEs類似物種類多，逐一測其對Tfam蛋白的影響較為繁雜。

三維定量構效關系(three dimension quantitative structure-activity relationship, 3D-QSAR)是以配體和靶點的三維結構為基礎，根據分子的內能變化和分子間的相互作用的能力變化，預測化合物的活性[10]，通過以部分有機化合物的生物毒性數據與結構參數進行統計建模，進而預測其他結構類似化合物的生物毒性，是當前環境化學領域的一個前沿課題[11]。基于上述背景，本文通過測定PAEs對HepG2細胞線粒體中Tfam蛋白相對表達量的影響，采用比較分子相似法(comparative molecular similarity indices analysis, CoMSIA)構建定量結構-活性關系模型，揭示不同結構的PAEs對HepG2細胞的線粒體毒性影響，為更好地對環境污染風險進行評估以及設計新型無毒的PAEs提供有利的數據支撐。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料

人源肝癌細胞系HepG2細胞及MEM(minimum essential medium)培養基購自中國武漢普諾賽有限公司；二甲基亞砜(DMSO)、6種鄰苯二甲酸酯類化合物(種類見表2，純度均≥99%)購自Sigma-Aldrich公司；RIPA裂解液、BCA蛋白試劑盒購于中國上海碧云天公司；Anti-GAPDH抗體購自Affinity；Anti-Tfam抗體購自Cell Signal Technology。

1.2 細胞培養及處理

細胞培養基選擇MEM完全培養基，其中添加10%(V∶V)的胎牛血清、1%(V∶V)青霉素鏈霉素以及1%(V∶V)L-谷氨酰胺，放入37 ℃，5%(V∶V)CO2的培養箱，隔天更換培養液。當細胞達到對數生長期，以此階段細胞作為實驗細胞。準確稱取一定量的鄰苯二甲酸酯類化合物溶于DMSO中，使最終母液濃度為1 mol·L-1，后經過濾除菌后保存于-20 ℃中。

取對數期細胞接種于6孔板中，根據前期細胞毒性實驗研究[12]，24 h貼壁后用不同濃度的PAEs(0、125、250、500和1 000 μmol·L-1)作用48 h。

1.3 蛋白免疫印跡法

將預處理后的細胞置于冰上，用含PMSF和蛋白酶抑制劑的RIPA裂解液裂解細胞，并將其收集于EP管中，離心。使用BCA蛋白質測定試劑盒測定上清液的蛋白質濃度。然后在10%(V∶V)的十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳儀(SDS-PAGE)上電泳等量的蛋白質。蛋白分離后，將凝膠轉到PVDF膜上，并使用5%的脫脂奶粉于室溫下封閉1.5 h，加入一抗于4 ℃冰箱孵育過夜。隨后，于室溫條件下將PVDF膜與二抗孵育1.5 h。最后，通過ECL顯色，通過軟件Image J軟件對其灰度進行量化分析。

1.4 三維定量構效關系建模與分析

本實驗采用SYBYL2.1.1軟件各模塊完成，利用CoMSIA法進行3D-QSAR分析。以分子的最低能量構象作為優勢穩定構象，對每個分子在Tripos力場中用分子程序Minimize進行能量優化，分子電荷采用Gasteiger-Huckel電荷，用Powell能量梯度法，最大優化次數為1 000，能量收斂限定為0.005 kJ·mol-1。以化合物DBP、DEP和DNOP為預測集，檢驗模型的預測能力，其余的PAEs化合物作為訓練集。

利用偏最小二乘(PLS)進行留一法(LOO)交叉驗證得到內部交叉驗證系數(Q2)以及最佳主成分數(n)，并以非交叉驗證方法計算出模型的非交叉驗證相關系數(R2)、并計算標準偏差(SEE)、Fisher檢驗值(F)以及各分子場的貢獻值。

1.5 CoMSIA模型的外部驗證及應用域

通過Golbraikh-Tropsha統計方法來評價QSAR模型的外部預測能力[13]。采用KNIME Analytics Platform進行上述分析。通過Enalos KNIME節點預測QSAR模型的擬合質量與預測能力，對于本文引入的外部預測能力評價方法，所建立的模型必須滿足以下條件[14]：

該QSAR模型的適用范圍通過杠桿值(leverage,h)的Williams圖(即標準化與杠桿值)來表征[13]，其中標準化殘差為δ、杠桿值為h、警告杠桿值為h*。標準化殘差的絕對值>3的化合物即被定義為異常值，若預測的PAEs類化合物殘差在這個范圍內，即可說明所建立的QSAR模型預測是可靠的。關于Williams圖中的δ與h、h*計算公式如下：

式中：xi為目標化合物的模型變量所形成的向量，X為訓練集的自變量矩陣。

2 結果與分析(Results and analysis)

2.1 PAEs對HepG2細胞中Tfam蛋白表達量的影響

6種PAEs對HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量的影響如圖1所示，當PAEs以低濃度作用于HepG2細胞48 h后，其中DEP在作用濃度為125 μmol·L-1時增加Tfam蛋白相對表達量，其余PAEs化合物在低濃度對Tfam蛋白相對表達量的影響不顯著。然而，當PAEs的濃度為1 000 μmol·L-1時，均降低HepG2細胞中Tfam蛋白的相對表達，其中DBP、DMEP、DNOP、DEHP對Tfam蛋白相對表達量影響較大(P<0.01)，且經DBP、DNOP作用的HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量較其余4種PAEs低，提示DBP、DNOP對HepG2細胞的線粒體毒性相對較強。

本課題組前期研究發現，經PAEs作用的HepG2細胞，其Tfam蛋白表達水平有顯著下降的趨勢[15-16]。本研究中，PAEs化合物對Tfam蛋白相對表達量的影響表現出一定差異，但當PAEs的作用濃度為1 000 μmol·L-1時，均降低Tfam蛋白相對表達量，因此在后續研究不同結構的PAEs對HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量的影響以1 000 μmol·L-1進行建模。PAEs是由鄰苯二甲酸酐與醇類化合物在一定的條件下酯化形成，其多樣性表現于醇類化合物不同的側鏈基團[17]，其結構有一定的差異性，因此接下來意在通過CoMSIA方法分析PAEs對HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量的影響以及PAEs分子結構在調控線粒體生物發生中的作用，預測PAEs結構差異對HepG2細胞的線粒體毒性影響。

2.2 PAEs與HepG2細胞中Tfam的定量構效關系

2.2.1 CoMSIA模型的評估和驗證

通過PLS計算和分析，得出CoMSIA模型的評估參數和分子貢獻率(表1)。CoMSIA模型的最佳組件數(n)為3，交叉驗證相關系數(Q2)為0.508，非交叉驗證相關系數(R2)為0.983，SEE為0.017，Fisher驗證值為37.962。由于模型的Q2>0.5且R2>0.9，表明模型具有良好的預測能力及擬合能力[18-19]。6種PAEs化合物的實驗值和預測值見表2，并根據兩者的關系構建線性回歸圖。如圖2所示，模型的預測值與實驗值高度吻合，斜率為0.9316，且預測值與實驗值之間的決定系數為0.9823，即表明所構建的CoMSIA具有較高的內部預測能力，可以用于預測PAEs對Tfam蛋白相對表達量的影響，進一步預測對HepG2細胞的線粒體毒性。

圖1 鄰苯二甲酸酯類(PAEs)以濃度為125、250、500和1 000 μmol·L-1處理48 h對HepG2細胞中Tfam相對表達量的影響注：(a) 經PAEs作用的Western blot條帶，(b) 鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)，(c) 鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)，(d) 鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)，(e) 鄰苯二甲酸二(2-乙基)酯(DEHP)，(f) 鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)，(g) 鄰苯二甲酸二(2-甲氧基)乙酯(DMEP)；n=3；與對照組相比，*P<0.05，**P<0.01。Fig. 1 Effects of phthalate esters (PAEs) on the relative expression of Tfam in HepG2 cells treated with 125, 250, 500, 1 000 μmol·L-1 for 48 hNote: (a) Western blot strips of PAEs treatment groups, (b) Dibutyl phthalate (DBP), (c) Dimethyl phthalate (DMP), (d) Diethyl phthalate (DEP), (e) Bis(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), (f) Di-n-octyl phthalate (DNOP), (g) Bis(2-methoxyethyl) phthalate (DMEP); n=3; compared with the control group, *P<0.05, **P<0.01.

在CoMSIA模型中，立體場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場及氫鍵受體場的貢獻分別為11.90%、29.60%、30.90%、0.00%和27.60%，即提示空間效應、帶電基團分布、疏水效應和氫鍵供體均影響Tfam蛋白相對表達量。

2.2.2 外部預測能力

圖2 實驗測定與模型預測的Tfam蛋白相對表達量之間的線性回歸分析Fig. 2 Linear regression analysis between experimental data and predicted data of Tfam protein relative expression

2.2.3 應用域

Williams圖一般用于評價所建立QSAR模型的應用域，在Williams圖中，當數據點杠桿值(h)大于警告杠桿值(h*)時，表明該數據點可能影響模型，標準化殘差的絕對值>3的化合物即被認為是響應離群值[19]。如圖3所示，實驗所得PAEs數據點的h均小于h*且其標準化殘差的絕對值全部落入(-3, 3)的閾值范圍內，表明該模型具有良好的預測結果，能夠覆蓋廣泛的結構應用域。

表1 CoMSIA模型的統計參數Table 1 The statistical parameters of CoMSIA models

表2 PAEs對HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量的實驗值與模型分析值Table 2 The experimental and model-predicted values of Tfam protein relative expression in HepG2 cells by PAEs

2.2.4 基于DNOP物質對CoMSIA模型三維等高圖進行分析

根據圖4中DNOP的基本骨架，結合CoMSIA模型圖(圖5)，探究PAEs分子結構對Tfam蛋白相對表達量的影響。

在立體場中，R與R’基團中主鏈上出現黃色色塊，即表明在主鏈上其基團體積越大，Tfam蛋白相對表達量減少。但在R與R’基團中側鏈上出現綠色色塊，即表明在側鏈上若存在大體積的基團，將促進Tfam蛋白相對表達，例如化合物DEHP，其R與R’基團中側鏈引入乙基，對比相同分子量的DNOP，DNOP在R與R’基團上無側鏈，因此經DEHP作用的HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量增加，且綠色色塊占主導作用。

圖3 模型的應用域Fig. 3 Application domain of model

圖4 鄰苯二甲酸酯類的基本骨架Fig. 4 Basic skeleton of phthalate esters

圖5 DNOP在CoMSIA模型的三維等高線圖注：(a)立體場；(b)靜電場；(c)疏水場；(d)氫鍵受體場。Fig. 5 DNOP’s three-dimensional contour maps in the CoMSIA modelNote: (a) The steric field; (b) The electrostatic field; (c) The hydrophobic field; (d) The acceptor field.

在靜電場中，在3、4號位上出現大面積的藍色色塊，即在上述位點引入正電基團會導致Tfam蛋白相對表達量增加。在R與R’基團上出現紅色色塊，當R與R’基團為負電基團時，增加Tfam蛋白相對表達量，例如化合物DMEP，其R與R’基團引入電負性較強的甲氧基，對比物質DBP在R與R’基團上引入電負性較弱的甲基，因此經DMEP作用的HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量增加。

在疏水場中，苯環上及R與R’基團出現大面積的黃色色塊，即在上述位點上增加疏水基團會增加Tfam蛋白相對表達量，由于烷基是疏水基團，因此在R與R’基團上連接的烷烴鏈越長，其疏水性越強，Tfam蛋白相對表達量增加。例如物質DEHP是由鄰苯二甲酸酐與2-乙基己醇結合形成的物質，其R與R’基團疏水性較強，因此Tfam蛋白相對表達量較高。

在氫鍵受體場中，紅色色塊主要出現在3、4號位上，紫紅色主要出現在R與R’基團上，即說明在R與R’基團上增加氫鍵受體，Tfam蛋白相對表達量增加。由于氫鍵供體場的貢獻率為0，因此本文未出現氫鍵供體場的等高線圖。例如化合物DMEP，此物質是由鄰苯二甲酸酐與甲氧基乙醇在酸性條件下酯化而成，在R與R’基團上引入了2對孤對電子，即多了2個氫鍵受體，所以經DMEP作用的HepG2細胞中的Tfam蛋白相對表達量增加。

有研究表明DMP、DNOP的R與R’基團上引入疏水基團，能夠降低PAEs的毒性[20]，此結果與本研究結果類似，可推測當在PAEs的支鏈引入疏水基團時，Tfam蛋白相對表達量增加，進一步降低PAEs的線粒體毒性。近些年，在改善PAEs結構、設計環境友好型塑化劑的研究中發現，在鄰苯二甲酸酯類支鏈引入大體積、疏水性強、負電基團和增加氫鍵受體能夠降低PAEs的毒性[20]。

3 討論(Discussion)

本研究結果顯示，當PAEs以1 000 μmol·L-1的濃度作用于HepG2細胞48 h后，與對照組相比其Tfam蛋白相對表達量顯著下降，通過3D-QSAR方法定量分析了PAEs對Tfam蛋白相對表達量的影響，該3D-QSAR模型具有良好的內、外部預測能力且具有覆蓋此類結構的廣泛應用域。

此外，定量構效關系結果表明，在PAEs類中R與R’基團上引入電負性大、疏水性強、氫鍵受體多的基團，增加PAEs類物質處理組HepG2細胞中Tfam蛋白相對表達量，影響HepG2細胞中線粒體生物發生，降低PAEs對HepG2細胞的線粒體毒性。通過對6種PAEs化合物對Tfam蛋白相對表達量的影響進一步預測此類物質對HepG2細胞的線粒體毒性效應和定量構效關系，為預測新型PAEs對Tfam的影響提供了一個潛在的工具，并為今后設計無毒的新型PAEs提供參考。

通訊作者簡介：柳春紅(1968—)，女，博士，教授，主要研究方向為食品營養與毒理學。