Y家族DNA聚合酶作用下多环芳烃DNA加合物的跨损伤DNA合成机理研究

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are a class of human related environmental pollutants with large quantity, wide distribution and high toxicity. The in vivo metabolites of PAHs can react with DNA and generate the so-called PAHs-DNA adducts which may cause gene mutations during the translesion DNA synthesis by Y-family DNA polymerases and eventually cause cancer. So far, there are still many essential issues on the translesion DNA synthesis to be solved. This project will study the translesion DNA synthesis of PAHs-DNA adducts by Y-family DNA polymerases with the aid of Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM) method. The geometrical information, reaction pathways, intermediates, and corresponding kinetics or thermodynamics parameters will be obtained at the molecular level. This project will also analyze the influence of the active site amino acids of Y-family DNA polymerases on the rate-determining steps. In addition, this project will explore the conformational influences of Y-family DNA polymerases on the fidelity and reactivity of the translesion DNA synthesis toward PAHs-DNA adducts. We hope that this project will help understand the mutagenic ability of different PAHs at molecular level and of practical value in predicting and preventing human diseases caused by PAHs.

多环芳烃是一类数量多、分布广、毒性强且与人类关系密切的环境污染物，其在人体内的代谢产物能与DNA反应形成多环芳烃DNA加合物。这类加合物在Y家族DNA聚合酶参与的跨损伤DNA合成作用下易引起基因突变并诱导癌症的发生。目前在Y家族DNA聚合酶参与的跨损伤DNA合成机理研究中仍有很多关键性的基础问题没有解决。本项目拟采用QM/MM方法从分子水平上研究Y家族DNA聚合酶对多环芳烃DNA加合物的跨损伤DNA合成机理；分析其结构信息、反应路径、中间产物以及相应的动力学、热力学性质；探索DNA聚合酶反应活性中心附近氨基酸对各速控步骤的影响；比较Y家族DNA聚合酶构象的变化及其对不同种类PAHs-DNA加合物跨损伤DNA合成过程的保真度与反应活性的影响。期望通过本项目的研究，为从分子水平上确定多环芳烃的致突变能力，进而为预测多环芳烃作用下人体疾病的发生并针对性的进行预防提供理论依据和科技支撑。

多环芳烃是一类数量多、分布广、毒性强且与人类关系密切的环境污染物，其在人体内的代谢产物能与DNA反应形成多环芳烃DNA加合物。这类加合物在Y家族DNA聚合酶参与的跨损伤DNA合成作用下易引起基因突变并诱导癌症的发生。本项目综合采用密度图泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）方法以及量子力学/分子力学联用（QM/MM）方法从分子水平上研究了多环芳烃（如萘、1-硝基吡啶）等在P450酶作用下的活化过程以及在Y家族DNA聚合酶作用下的跨损伤DNA合成机理。获得了酶催化反应过程的结构信息、反应路径、中间产物以及相应的动力学、热力学性质；明确了酶反应活性中心附近氨基酸对各速控步骤的影响。研究结论可为其他复杂多环芳烃的致癌性活化及跨损伤合成提供理论指导。.（1）通过测试酶SpnF与多杀菌素A（大环化合物，杀虫剂多杀菌素的主要成分）等的反应机理，建立起了基于DFT、MD以及QM/MM的计算方法，可推广到多环芳烃与酶的相互作用机理的研究。.（2）明确了DNA聚合酶ι对N-脱氧鸟苷-8-基-1-氨基芘的跨损伤机制。证实反应经历三个基本步骤：质子从单磷酸脱氧胞苷转移到三磷酸脱氧腺苷，磷酸转移，以及三磷酸脱氧腺苷的去质子化，其中磷酸转移步骤是反应的决速步骤。研究结果从理论计算的角度证实了硝化多环芳烃致突变性的起源。.（3）获得了细胞色素P450酶对萘等多环芳烃的代谢活化机理，证实细胞色素P450酶作用下萘可以被活化成1,2-萘环氧化物。1,2-萘环氧化物很不稳定，一方面可以直接进攻DNA上的碱基，造成突变；另一方面易在细胞中水分子和羟基自由基的作用下转化为致癌物1,2-萘醌。