全氟化合物通过组蛋白乙酰化酶抑制干扰雌激素受体介导信号通路的理论研究

Disruption of intracellular estrogen receptor-mediated signaling via non receptor binding mechanism such as histone deacetylase inhibition play an important role for perfluorinated chemicals. In the present project, both theoretical simulation methods and necessary bioassays are adopted to explore disruption mechanism of estrogen receptor activity through histone deacetylase inhibition by perfluorinated chemicals. Specifically, homology modeling and function analysis of selected histone deacetylase will be performed to obtain the 3D-structure of the enzyme proteins, while quantum mechanics will be coupled with optimized molecular dynamics strategy to evaluate possible modes of action and reveal the inhibition mechanism involving the continuous open-close motion regulation of the acetyl-releasing channel door. Subsequently, molecular basis of histone deacetylase inhibition selectivity will be elucidated for typical perfluorinated chemicals. Furthermore, causality between estrogenic effect of pollutants and perturbation of estrogen receptor-mediated signaling induced by pathway components such as histone deacetylase and its substrate was explored to find the key toxicity pathway on the basis of estrogen receptor progressive activation. Finally, disruption mechanism of estrogen receptor activity through histone deacetylase inhibition by perfluorinated chemicals will be established and revised using both theoretical simulation results and experimental information. The exploration in the present project may provide theoretical foundation and methodology support to both health risk assessment and ecological risk assessment of chemical contaminants.

组蛋白乙酰化为表观遗传学修饰的一种重要形式，全氟化合物可通过组蛋白去乙酰化酶抑制等非配体依赖受体激活作用干扰雌激素受体介导信号通路。本项目拟采用理论模拟与实验验证相结合的研究方法，重点开展污染物引发的蛋白乙酰化水平变化对雌激素受体活化作用影响的生物化学机制研究。通过同源模建构建典型组蛋白去乙酰化酶结构，基于量子力学与分子动力学相结合的方法寻找污染物与酶可能的结合模式，模拟分析疏水活性作用通道对酶活性的调控过程，揭示全氟化合物的酶选择性抑制分子基础。将全氟化合物蛋白乙酰化水平干扰活性与其对雌激素受体信号作用通路的扰动相互关联，基于不同靶点间程序调控模式进行数学建模，诠释污染物雌激素效应的关键毒性作用路径。以计算结果指导实验研究，阐明污染物引发的蛋白乙酰化水平变化对雌激素受体活化作用影响的生物化学机制，为科学评价污染物的环境危害与健康风险提供理论依据与方法贮备。

组蛋白乙酰化为表观遗传学修饰的一种重要形式。项目基于组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制等非配体依赖受体激活作用干扰雌激素受体介导信号通路的理论模拟和实验研究，解析了全氟化合物（PFCs）引发的组蛋白乙酰化水平变化对雌激素受体（ER）活化作用影响的生物化学机制。项目采用晶体结构搜索优化和多模板同源模建构建了典型组蛋白去乙酰化酶较完整的三维结构，量化计算显示保守的酶催化位点中组氨酸质子化状态的改变会导致依赖于锌离子的HDAC酶催化位点HIS-ASP电荷传递系统效率等发生变化而改变其基元反应历程。项目以典型HDAC抑制剂为探针揭示了抑制剂结合所致酶结构适应性变化的分子机制，研究指出HDAC具有显著的配体诱导契合能力，其抑制剂主要通过作用于底物结合通道、乙酰基离去通道/内部口袋、与低口袋结合或者作用于D-型1,4,5,6-四磷酸肌醇等表面位点影响蛋白招募其他转录控件等多种方式而干扰酶催化反应的进行。相应地，长链PFCs可通过与典型HDAC的底物结合通道等作用导致酶部分失活，而短链则可能通过作用于乙酰基释放通道而抑制酶催化反应产物的离开抑制酶活性，PFCs直/支链异构影响其对于HDAC活性的干扰，而PFCs极高蛋白亲和力使得其会作用于HDAC蛋白表面从而导致表观酶活抑制能力下降。项目进一步采用雌激素受体信号作用路径的离体毒性测试、相关基因表达与环境计算毒理相结合的方法，证实PFCs可通过直接ER结合、HDAC抑制等多种分子起始反应对ER活化作用产生影响，从而将PFCs的雌激素效应与微观水平其对雌激素受体信号作用通路关键节点功能让的干扰相互关联。此外，由于很多HDAC的细胞功能仍未清晰，研究表明抑制剂-HDAC复合物稳定性及其动力学特征虽与特定蛋白乙酰化水平有关，但其与ER活化并不一定具有显著的相关关系，这主要是由于一种HDAC可调控不止一类细胞功能。项目已经在SCI源刊发表标注资助研究论文8篇；2项计算机软件著作权完成登记。相关研究成果参加4次国际国内学术会议大会报告交流，培养了2名博士生。