P450酶催化典型取代酚类污染物的代谢动力学和机制研究

Substituted phenolic pollutants (SPPs) have drawn widespread attention due to their potential endocrine disrupting properties. Previous studies demonstrated that SPPs are primarily metabolized by P450 enzymes in biota, and the metabolism significantly influences the fate and endocrine disrupting effects of these chemicals. However, the detailed pathways, products and the effects of protein environment on the metabolism of structurally diverse SPPs catalyzed by P450 enzymes remain to be uncovered. In this project, human liver microsomal/recombinant P450 enzymes in vitro assay and quantum chemical calculations are adopted to 1) investigate the pathways, products and relevant molecular mechanisms of SPPs (bisphenol A and its analogues, parabens, hydroxylated polybrominated diphenyl ethers and a synthetic antioxidant butylated hydroxytoluene as model compounds) metabolism catalyzed by P450 enzymes；2) explore the influence of enzymatic amino acid residues, water molecules and the substituents of SPPs on the transformation process; 3) develop quantitative structure-activity relationship model for the kinetic parameters of SPPs metabolism. The results would be of significance for understanding the biological fate of SPPs, which benefits assessment of the toxicological effects and environmental risks of these pollutants.

取代酚类污染物(SPPs)因其潜在的内分泌干扰性而受到广泛关注。已有的研究表明，P450酶催化转化是SPPs在生物体内降解的重要途径，转化过程对SPPs的生物归趋及内分泌干扰效应产生显著影响。但结构不同的SPPs被P450酶催化代谢的反应路径、产物以及重要酶环境因素的影响机制还有待揭示。本项目采用人肝细胞微粒体/重组P450酶体外测试与量子化学计算模拟相结合的研究方法，选取双酚A及其类似物、对羟基苯甲酸酯、抗氧化剂二叔丁基对甲酚、羟基多溴联苯醚等为SPPs模型化合物，研究P450酶催化不同结构SPPs的代谢转化路径、产物及相关分子机制；阐释酶蛋白环境中氨基酸残基、水分子以及母体取代基种类和取代模式对反应的影响机制，并探索构建SPPs的P450酶促代谢转化动力学参数的定量构效关系模型。结果对于认识SPPs在生物体中的代谢归趋、进而评价其毒理学效应和环境风险具有重要意义。

细胞色素P450酶促代谢转化显著影响外源化学品的生物归趋和毒理效应。基于活体动物及体外代谢测试的方法，难以阐明/预测大量环境化学品的P450酶转化产物及机制。本项目发展了基于密度泛函理论(DFT)的计算毒理学模拟预测方法，据此揭示了P450酶催化取代酚等污染物代谢转化的反应动力学、路径及产物，结果获得体外代谢实验证实。总体上，项目较好地完成了研究计划，在多种污染物(包括取代酚类、有机磷系阻燃剂、哌啶类、全氟化合物等)的P450酶代谢转化机制研究方面取得系统性成果：(1) 揭示了P450酶活性中心催化取代酚类物质发生本位取代反应(ipso-substitution)的分子机制——酚羟基摘氢和羟基π反弹；(2) 基于DFT计算阐明了哌啶类药物的P450酶代谢环收缩反应新机制——耦合电子质子转移；(3) 阐明了不同取代形式(烷基、芳基、氯代)的有机磷阻燃剂P450酶代谢反应动力学差异，预测代谢产物结构与体外实验结果吻合。此外，本项目还发展了关键毒理/病理过程靶蛋白的高通量组学定量检测方法，有望在污染物引起的毒理效应标志物检测方面取得应用。研究成果发表了Springer出版的英文专著章节，共发表项目标柱SCI论文3篇，中文核心期刊论文1篇。本项目成果为预测污染物在生物体内的代谢动力学及归趋，进而评价其毒理学效应和环境风险提供了可靠方法和数据支持。