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典型污染物拟抗雌激素效应分子机制及构效关系

文献类型:学位论文

作者黎娟
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师张爱茜
关键词拟/抗雌激素活性 定量结构活性相关(QSAR) 辣椒素类物质 有机 磷酸酯(OPEs) 全氟烷酸类化合物(PFAAs) estrogenic/antiestrogenic activity quantitative structure-activity relaionship (QSAR) capsaicin analogues organophosphate esters (OPEs) Perfluoroalkyl acids (PFAAs)
其他题名Molecular mechanism and structure-activity relationships of estrogenic/anti-estrogenic activities for selected environmental pollutants
学位专业环境科学
中文摘要      雌激素信号通路是污染物内分泌干扰效应的重要途径之一,污染物雌激素信号通路复杂多样,其表现出的拟/抗效应的分子机制尚不清晰。配体和雌激素受体(ER)结合后,会引起受体构型发生变化,进而引起不同的辅因子招募模式和继发的生物学级联调控,从而表现出拟 /抗雌激素效应。本论文结合离体实验模型和理论计算,开展基于受体介导途径的污染物拟 /抗雌激素效应分子机制的结构效应关系研究,既有望揭示环境类激素污染物与通路各靶标分子发生诱导契合作用协同调节其生物功能的分子机制,同时也为污染所致雌激素相关生态毒性风险评价提供可靠的科学参考。
      辣椒素是辣椒果实中的主要活性成分,具有镇痛、抗炎、抗菌等多种药理作用。早在 1995年,辣椒素及其类似物被提出可以成为双对氯苯基三氯乙烷(DDT)作为防污涂料的替代产品。然而,由于人们把关注过多放在辣椒素类物质的抗菌活性,往往将急性毒性作为其毒性检测终点而忽略了辣椒素类物质对包括海洋环境在内的自然环境造成的潜在内分泌干扰效应。本文结合理论计算方法和离体模型,运用分子对接模拟,雌激素激动/拮抗筛选预测法(AADS),受体多态分析(RPA)和报告基因实验,探讨了 8种辣椒素类似物的  ER转录活性,并对比其在不同物种间的 ER活性差异。分子对接和  AADS结果表明葡聚糖凝胶(6-I-CPS)具有 ER激动活性,而多巴胺(NADA),曲古柳菌素 A  (TSA),辣椒素,辣椒平和二氢辣椒素均表现出ER拮抗活性。然而,两个分子体积较大的化合物PPAHV和PDNHV不能够进入 ER的疏水空腔中。此外,MVLN实验结果表明   6-I-CPS能够诱导荧光素酶报告基因的表,表现出拟雌激素活性;而 NADA,TSA,辣椒素,辣椒平和二氢辣椒素在单独暴露及与雌二醇  (E2)共暴露条件下均能够抑制荧光素酶报告基因的表达,表现出抗雌激素活性,这一结果与上述理论计算结果一致,在一定程度上得以相互验证,均暗示芳烃基团的加卤作用及亲酯性长碳链对辣椒素类化合物的雌激素活性有重要影响。此外,MVLN实验结果表明辣椒素类似物的拟/抗雌激素活性至少有一部分是依赖于 E2信号通路得以实现。有趣的是,RPA结果显示辣椒素类物质的拟/抗雌激素活性在人类,鳕鱼和丽龟这三个物种间具有一定差异,不同物种间 ERα活性口袋周围氨基酸有所不同,具体表现为在 ER激动构型中人类 ERα中的    ILE386和   ARG352分别被鳕鱼   ERα中   VAL319和LYS285所取代;而在拮抗构型中,人类    ERα中的   GLY344被丽龟    ERα中的THR338所取代,人类 ERα中的  ARG352和 GLY344分别被鳕鱼 ERα中的   LYS285和 THR277所取代。
      有机磷酸酯(OPEs)阻燃剂是运用最为广泛的有机磷阻燃剂,主要以非化学键合方式添加到材料中,在使用中容易由材料进入环境(空气,水样和生物体)而导致暴露水平的增高,是新兴环境污染物的一种。OPEs可通过影响乙酰胆碱酯酶等受体活性产生神经毒性,但是其潜在的经由各种激素受体介导的内分泌干扰效应鲜有报道。本文以人源乳腺癌细胞为离体模型,结合理论计算,通过E-screen、ER-CALUX、荧光定量 PCR检测手段和分子模拟手段,探讨了  13种OPEs的拟/抗雌激素效应及其分子机制。结果表明,13种   OPEs在单独暴露时均不能够引起人类乳腺癌细胞(MCF-7)数目的改变,而在与 E2共暴露的情况下,均能够抑制 E2所诱导的  MCF-7细胞的增殖,且这种抑制效应随着  OPEs浓度的增大而增强,具有确定的剂量效应关系,表明这 13种  OPEs可通过干扰  E2信号通路产生生物学效应。进一步的 MVLN检测中,13种   OPEs在单独暴露时均不能够引起荧光素酶活力的改变,而在与 E2共暴露的情况下均能够抑制  E2所诱导的荧光素酶活力,且具有一定剂量效应关系。荧光定量 PCR证实  13种化合物均能够抑制雌二醇所诱导的雌激素标志基因 pS2和   EGR3的表达。荧光定量   PCR、MCF-7细胞增殖和受体报告基因结果相互验证,表明这  13种  OPEs具有抗雌激素活性,且与 ER介导通路有关。同时,两种离体实验结果均提示磷酸基团被苯环取代的 OPEs(磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、膦酸二苯酯和氯磷酸二苯酯)及具有三个较长烷烃侧链的 OPEs(丁基磷酸二丁酯)具有较强的抗雌激素活性,其相应  EC50均为微摩尔级别。定量构型关系(QSAR)预测模型表明,OPEs的抗雌激素活性与分子体积、相邻分子的特征值及分子亲水性相关。随后的分子对接结果表明,三个具有较大侧链取代基团的 OPEs(磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯和丁基磷酸二丁酯)和典型的 ER拮抗剂  ICI 180, 782和  OHT与  ER活性口袋结合模式相似,表明这三种 OPEs与经典  ER拮抗剂具有相似的拮抗机理,即通过干扰 H12在  ER中的位置,进而引起下游转录激活的改变。
      全氟烷酸类化合物(PFAAs)是一类持久性有机污染物,被广泛运用于生产生活中,所涉及产品包括食品包装材料,防水涂层及不粘锅等。目前 PFAAs在全球环境广泛检出,具有潜在的内分泌干扰效应。然而, PFAAs在雌激素信号通路中表现出的拟/抗雌激素效应却说法不一。本文以人源乳腺癌细胞为离体模型,结合理论计算,通过 ER-CALUX实验、荧光定量 PCR检测手段和分子模拟手段,探讨了 10种全氟化合物的拟/抗雌激素效应及其分子机制。在基于  ER转录激活的 MVLN检测中,3种   PFAAs:全氟丁酸(PFBA)、全氟丁基磺酸钾  (PFBS)及全氟戊酸(PFPA),单独暴露能够抑制荧光素酶报告基因的表达,表现出抗雌激素效
应。5种  PFAAs:全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHPA)、全氟辛酸(PFOA) 、全氟任酸(PFNA)及全氟癸酸(PFDA),单独暴露时不能够引起荧光素酶活力的改变,未表现出明显的拟/抗雌激素效应。而其中 2种  PFAAs:全氟己烷磺酸钾(PFHxS)和全氟辛基磺酸钾(PFOS),单一暴露分别能够诱导荧光素酶报告基因的表达,具有拟雌激素效应。在复合暴露实验中,10种  PFAAs均能够减弱雌二醇所诱导的雌激素效应,具有一定抗雌激素活性,且其相应  EC50随着碳链增长而减小。基因检测结果表明,10种  PFAAs均能够抑制雌二醇所诱导的雌激素标志基因 pS2和 EGR3的表达,这一结果与 MVLN检测结果相吻合。分子对接结果表明,PFHxS和 PFOS能够与人类  ER的活性口袋相结合,与周围关键残基形成稳定氢键网络。 而其他 8种   PFAAs均不能够与   ER活性口袋稳定结合,这一结果可以进一步解释在单一暴露实验中,观察到的 PFHxS和   PFOS具有拟雌激素效应。进一步的模拟分析表明,10种  PFAAs均能够在  ER的活性口袋被  E2占据的情况下,与包括共辅因子结合位点在内的 ER表面位点相结合,这一结果解释了在共暴露实验中观察到的 10种  PFAAs的抗雌激素活性。
英文摘要      The estrogen signaling  pathway is one of the  most important pathways involved in  the  endocrine  disrupting  effect  induced  by  various  pollutants.  Complicated  as estradiol (E2)  signaling  pathway is,  its underlying  molecular mechanism  is  still not very  clear.  Ligand-dependent   mechanism  plays  a  key   role  in  the  pathway.   The interaction  between  the   ligand  and  the  estrogen  receptor   (ER)  may  lead  to  the allosteric effect of ER,  and finally results in different  recruitment pattern of cofactors as well  as the subsequent  diverse transcription    regulation.  In the  present study, we explored the  ER-mediated transcription activity  of selected  environmental pollutants via an integrated approach based on in silico prediction and in vitro  assays, which will provide useful  dada for elucidating  the potential molecular  mechanism of estrogenic activity of enrionmental pollutants.
      Capsaicin, the  main  active pungent  ingredient  in chilli  peppers, has  been  taken
into  consideration  as   potential  alternative  structure  template   of  dichlorodiphenyl trichloroethane   (DDT)   in  antifouling   paint   due   to   its  high   anti-bacterial   and insecticidal   efficiency.   However,   information  about   the   estrogenic   activity   of capsaicin analogues is rather limited in comparison with both DDT and its metabolites.
We here explored  the ER transcription activity  of selected capsaicin analogues  by an
integrated  approach  based  on  in  silico  prediction  and  in  vitro   assays.  Molecular
simulation   and   the    agonist/antagonist   differential-docking   screening   identified
6-iodonordihydrocapsaicin (6-I-CPS)as potential ERα agonist, while anti-estrogenicity was  expected for  N-arachidonoyldopamine (NADA),  capsazepine,dihydrocapsaicin, trichostatin A  (TSA), and capsaicin. On  the contrary, large volume chemicals such as  PPAHV and PDNHV cannot  fit well with ER  hydrophobic cavity.The result of  following MVLN assay  accorded with the  in silico prediction.  6-I-CPS was proved to induce luciferase  gene expression in the absence of estradiol,  while the other  analogues   of   relatively  small   molecular  volume   reduced   luciferase  gene expression  in  MVLN  cells  both   in  the  absence  and  presence  of  estradiol.   Such suggested that  the ER  transcription activity of  capsaicin analogues  be at least  partly through ERα-mediated pathway.Further toxicity study demonstrated anti-proliferation capacity  of  both estrogenic  and anti-estrogenic  compounds with  a dose dependent  manner, the  structure-activity relationship  of which  can be  encoded using  geometrical  descriptors   QXXs.  Moreover,  receptor   polymorphism  analysis indicated that species difference in estrogenic activity can  result from the replacement of ILE386 and ARG352 in agonist-bound hERα  by VAL319 and LYS285 in codERα, GLY344 in antagonist-bound hERα  by THR338 in turERα, ARG352 and GLY344  in antagonist-bound hERα by LYS285 and THR277  in codERα, respectively. Therefore,capsaicin  analogues  may exhibit  diverse  species  selectivity  for  human beings  and marine species such as Gadus morhua and Lepidochelys olivacea.
      There is significant  increase in application  of organophosphate esters (OPEs)  as
flame  retardants  due  to   the  ban  of  brominated  flame  retardants.  As   a  kingd  of
emerging   environmental  pollutants,   OPEs   can   exhibit  various   acute   toxicities.
Inhibition of acetylcholinesterase (AChE) is the primary toxicological  effect of OPEs.
Unfortunately,  the   low-dose  endocrine   disrupting  effects   mediated  by   hormone
receptors  are commonly  underestimated  for  OPEs. Recent  cohort  studies indicated
that  OPEs  exposure  may  be  associated  with  altered  hormone  level.  Therefore,  a
structure orientated  research was  carried out to  explore the  estrogenic/antiestrogenic
effect of selected  OPEs and potential mechanism.  Various in vitro assays  were made
such as E-screen  assay, MVLN assay  and the detection of  estrogen-responsive genes
in MCF-7  cells. Besides, in  silico modeling was  also performed  to further probe  the
interaction between  OPEs and  human ERα.  All tested  OPEs exerted  anti-estrogenic
activities  in both  E-screen  assay and  MVLN  assay. Specifically,  OPEs  with bulky
substitute  group   such   as  phenyl   rings  (triphenyl   phosphate,   tritolyl  phosphate,
diphenylphosphoryl   chloride,   diphenylphosphite)    or   relative   long   chain   alkyl
(dibutylbutylphosphonate) exerted  a comparatively strong ER  antagonism potency at
micromolar   concentrations.   The   established    QSAR   model   indicates   that    the
anti-estrogenic activities  of OPEs mainly depend  on the volume,  leading eigenvalue,
and hydrophilicity of  the molecules. Furthermore,  molecular docking revealed  that 3
tested  OPEs  with  the  most bulky  substitute  groups  on  the  phosphate  ester  group
(triphenyl  phosphate,   tritolyl  phosphate   and  dibutyl   butanephosphonate)  have   a
similar interaction mode  as the classical ER  antagonists, ICI 180, 782 and  OHT. The
correlation between  their anti-estrogenic  activity  and the  corresponding ER  binding
affinity  is  statistically  significant,  strongly  suggesting  that   they  may  possess  the
classical antagonism  mechanism, interfering with  positioning of H12 in  ER. Clearly,
the  structural  features of  phosphate  ester  group  are  crucial  for the  anti-estrogenic
potency of OPEs.
      Perfluoroalkyl acids  (PFAAs) are  widely  used in  the many  products. Numerous
studies   have   focused   on   whether   or   not   PFAAs   may   exhibit   estrogenic  or
antiestrogenic effect.  However, there  is insufficient  information on  both PFAAs-ER
interaction  and the  potential  biological function  induced  by  such receptor  binding.
Moreover,   estrogenic  activities   of   PFAAs   are  in   controversy,   whereas,  either
estrogenic effects  or antiestrogenic effects  of PFAAs can  present potential  hazard to
human health. Therefore,  ER-mediated transcription activity of  PFAAs was analyzed
under both single exposure and co-exposure with E2 in human breast cancer cells.  The
estrogenic/antiestrogenic effects of PFAAs were  investigated using the MVLN assays
and  the evaluation  of  estrogen-responsive  genes  in  MCF-7 cells.  In  order  to  gain
insight  into  the molecular  mechanism  of  PFAAs  induced  ER  regulation, in  silico
simulation  was  also   performed  to  elucidate  the  interaction   between  PFAAs  and
human ERα.  3 tested  PFAAs,  including heptafluorobutyric  acid (PFBA),  potassium
nonafluoro-1-butanesulfonate  (PFBS) and  perfluoropentanoic  acid (PFPA),  reduced
luciferase gene expression in MVLN cells in the absence of estradiol.. On the contrary,
tridecafluorohexane-1-sulfonic    acid    potassium    salt    (PFHxS)    and    potassium
heptadecafluoro-1-octanesulfonate (PFOS) induced luciferase  activity in MVLN cells
under  both single  exposure.  There  was  no significant  response  observed  for other
PFAAs  in  MVLN cells  without  estradiol  coexposure.  However,  all  tested PFAAs
attenuate E2-stimulated  luciferase activity  and estrogen-responsive  genes (TFF1   and
EGR3) expression  in MCF-7 cells.  Furthermore, PFAAs  incubation with  E2 and ICI
180, 782  caused    further downregulation  of luciferase  activity, and  such  additional
reduction   in   transcription  activity   can   be   observed  for   PFAAs   at   nanomolar
concentrations, depending  on the concentration of  ICI 180, 782.  The in silico   results
shown that PFOS and PFHxS were typical ER agonist, and all PFAAs could bind with
ER  in its  surface  area  for coactivator  when  the ligand  binding  domain  of ER  has
already been  occupied by  E2. The  developed QSAR  model showed  good prediction
ability   and  mechanism   interpretability.   The   estrogenic/antiestrogenic   effects  of
PFAAs  are dependent  on  the  structural features  of  sulfonic  substitution  and chain
length. Our results suggested  that direct interact with ER ligand  binding pocket is not
the  only pathway  involved  in the  estrogenic/antiestrogenic  activity of  PFAAs. The
present research also provides important evidence to illustrate
the estrogenic/antiestrogenic  effects of  short chain  PFAAs,  especially for  PFBS, which
has been reported to be safe alternative for PFOS.
公开日期2015-07-07
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/15619]  
专题生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
黎娟. 典型污染物拟抗雌激素效应分子机制及构效关系[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

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