基于网络毒理学与分子动力学模拟探究苯并(a)芘加剧创伤性脑损伤的潜在靶点与分子机制

《Cell Biology and Toxicology》：Exploring potential targets and molecular mechanisms of traumatic brain injury exacerbated by Benzo(a)pyrene via network toxicology and molecular dynamics simulation

创伤性脑损伤（TBI）后继发性损伤机制复杂，环境污染物苯并(a)芘（BaP）的潜在加剧作用尚不明确。本研究通过整合多数据库筛选出121个BaP与TBI共同作用的核心靶点，并识别出TP53、EGFR、AKT1、ACTB、TNF五个关键枢纽基因。分子对接与动力学模拟证实BaP与枢纽蛋白具有高亲和力稳定结合，MM-PBSA计算验证其结合自由能显著优于共晶配体。毒性预测提示BaP具有神经毒性、血脑屏障通透性等特性。研究揭示了BaP通过破坏"神经血管稳态网络"加剧TBI的分子机制，为TBI防治提供了新视角。

　　

当我们谈论脑部健康威胁时，创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）因其高致残率和社会负担而备受关注。这种由外部机械力导致的脑组织损伤，不仅会引发直接的物理损害，更棘手的是随之而来的继发性损伤级联反应——包括氧化应激、神经炎症、血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）破坏等复杂过程。然而，在探索TBI病理机制时，环境因素的影响却常常被忽视。苯并(a)芘（Benzo(a)pyrene, BaP）作为一种广泛存在于空气污染、香烟烟雾和烧烤食物中的多环芳烃类污染物，早已被证实具有神经毒性和促氧化特性，能够破坏血脑屏障完整性并促进神经炎症。但令人惊讶的是，BaP如何分子水平上加剧TBI的具体机制至今仍是未解之谜。

正是在这一科学空白背景下，胡瀚天、胡悦韬、万思琦等研究人员在《Cell Biology and Toxicology》上发表了创新性研究。他们巧妙融合了网络毒理学、生物信息学分析和计算生物学方法，系统揭示了BaP通过干扰关键信号通路和分子靶点而加重TBI病理过程的崭新机制。这项研究不仅为理解环境污染物与神经系统疾病互作提供了新视角，也为开发针对性治疗策略奠定了理论基础。

研究方法上，团队通过检索Comparative Toxicogenomics Database（CTD）、GeneCards等数据库获取BaP和TBI相关靶点，利用Venny工具筛选共同基因作为核心靶点。采用STRING数据库构建蛋白质相互作用网络，结合六种拓扑算法识别枢纽基因。使用Gene Ontology（GO）和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes（KEGG）进行富集分析。分子对接通过YASARA结构软件进行，分子动力学模拟采用GROMACS软件运行100纳秒，结合MM-PBSA方法计算结合自由能。毒性预测使用ProTox-3.0和ADMETlab 3.0平台。转录组数据来源于GEO数据库的GSE111452数据集（包含38个假手术和39个TBI大鼠的全脑组织样本）。

3.1 BaP在TBI中核心靶点的鉴定与富集分析

研究人员通过数据收集确定了1002个BaP相关靶点和904个TBI相关靶点，Venn图分析显示121个共同基因被定义为BaP在TBI中的核心靶点。富集分析结果表明，这些核心基因显著富集于MAPK信号通路调控、氧化应激反应等生物过程，以及MAPK信号通路、AGE-RAGE信号通路、PI3K-Akt信号通路等关键通路。这些发现提示BaP可能通过调节应激信号通路、神经结构稳态和基因表达等机制加剧TBI。

3.2 核心靶点PPI网络分析与枢纽基因鉴定

构建蛋白质相互作用网络并进行拓扑分析后，研究人员采用六种算法（度值、紧密度中心性、介数中心性、平均最短路径长度、拓扑系数和多边节点对伙伴）筛选关键基因。六种算法结果的交集最终确定了五个枢纽基因：TP53、EGFR、AKT1、ACTB和TNF。这些基因在BaP加剧TBI的病理机制中可能发挥核心作用。

3.3 枢纽基因差异分析与GSEA分析

转录组分析显示，与正常脑组织相比，TBI脑组织中有1209个基因上调和882个基因下调。在五个枢纽基因中，ACTB、TNF和TP53在TBI组中表达升高，而AKT1和EGFR表达降低，但这些变化均未达到差异表达基因的阈值。单基因GSEA分析进一步揭示这些枢纽基因富集于与TBI病理生理相关的通路，如接触激活系统缺陷、 kallikrein-kinin系统（KKS）、先天免疫系统等。

3.4 分子对接

分子对接结果显示，BaP与五个枢纽蛋白均表现出较强的结合亲和力，结合能范围为-9.3至-12.1 kcal/mol。与原始共晶配体和已知蛋白抑制剂相比，BaP的结合能更加优越，表明其可能具有更稳定的结合效果。相互作用的分子基础主要是疏水作用和π-π堆积作用，如BaP与ACTB的PHE-327、AKT1的PHE-161、TNF的TYR-59和TYR-119B等残基形成的芳香环相互作用。

3.5 分子动力学模拟

100纳秒的分子动力学模拟显示，BaP与五个枢纽蛋白复合物的均方根偏差（RMSD）值均低于0.5纳米，表明复合物结构稳定。均方根波动（RMSF）分析显示局部残基波动较小，回转半径（Rg）值表明复合物结构紧凑。自由能景观（FEL）分析显示，除EGFR外，其他复合物均呈现单一、平滑的深能阱，表明结合状态稳定。EGFR出现两个能阱可能与其结构特性导致的两种稳定结合状态有关。

3.6 结合自由能计算

MM-PBSA计算显示，BaP与所有枢纽蛋白的结合自由能（△_TOTAL）均为负值，范围从-18.52到-27.63 kcal/mol，证实了结合的稳定性。结合能的主要驱动力是范德华相互作用（△_VDWAALS），而静电相互作用（△_EEL）贡献较小。与共晶配体相比，BaP与AKT1、EGFR和TP53的结合更稳定，与TNF结合相当，与ACTB结合稍弱。

3.7 BaP的毒性预测

毒性预测分析显示，BaP的口服半数致死剂量（LD₅₀）为316 mg/kg，属于GHS毒性类别4（吞咽有害）。BaP表现出较高的神经毒性、血脑屏障通透性、致癌性和致突变性概率，这些特性与芳烃受体（Aryl hydrocarbon receptor, AhR）激活密切相关。代谢分析表明BaP是CYP1A2、CYP2C9和CYP2C19的底物，其代谢产物BPDE可能通过形成DNA加合物而增强毒性。

研究结论与讨论部分指出，这项研究通过整合多学科计算方法，系统阐明了BaP加剧TBI的分子机制。核心发现是BaP能够高亲和力地结合TP53、EGFR、AKT1、ACTB和TNF等关键枢纽蛋白，干扰MAPK、PI3K-Akt等重要信号通路，从而破坏神经血管稳态。这些相互作用共同构成一个"神经血管稳态破坏网络"，通过损害血脑屏障功能、维持神经炎症、失调脑血管凝血和损害细胞结构完整性，最终导致神经恢复受损、继发性损伤加重和TBI病理恶化。

研究的创新之处在于首次从系统水平揭示BaP与TBI的相互作用网络，并通过多层次计算模拟验证了其分子基础。然而，研究也存在一些局限性，如缺乏直接实验验证、依赖数据库预测可能带来的偏差、使用单一转录组数据集、计算模拟无法完全复制复杂生物环境以及未考虑复合暴露情况等。

总之，这项研究为理解环境污染物如何加重神经系统疾病提供了新的分子框架，强调了在TBI临床管理中考虑环境暴露因素的重要性。未来研究需要实验验证这些计算预测，并探索针对这些靶点的治疗干预策略，以减轻BaP相关的神经毒性风险。