烟草特异亚硝胺致癌物在P450酶中的代谢活化及毒性作用机制研究

Tobacco-specific nitrosamines (TSNAs), a class of carcinogens that widely distribute in the tobacco-related products, are considered to be an important factor for human cancers. Metabolic activation of TSNAs by cytochrome P450 enzymes to be converted to electrophilic species is essential precondition for their carcinogenicity. However, the P450s-catalyzed metabolic mechanisms of TSNAs are still controversial, formation mechanism of some DNA adducts as well as carcinogenic activity of some metabolites are not clear either, calling for further theoretical validation. Basing on the current studies, this project will perform combined quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM) calculations to explore the activation mechanisms of TSNAs and generation potential of carcinogenic metabolites, and use quantum chemical calculations to elucidate the interaction mechanisms and structure-activity relationship of the various carcinogenic metabolites with DNA. Furthermore, the quantitative characterization experiments will be used to detect the DNA adducts formed by the interaction of DNA with the typical nitrosamine metabolites to verify the theoretical results. The results of this project will give us scientific guidance for studying the metabolism and toxicology of TSNAs and assessing the carcinogenic risk of these chemicals, and also provide inspirations for regulating TSNAs metabolisms and repairing DNA damage in order to control the related cancers.

烟草特异亚硝胺（TSNAs）是一类广泛存在于烟草制品中的特殊亚硝胺致癌物，是烟草制品引发癌症的主要因素之一。TSNAs被细胞色素P450酶代谢转化成亲电性物质是其致癌的重要前提。但迄今为止，该类化合物在P450酶中的代谢机理还存在争议，代谢物毒性作用的分子机制也不清楚，是急需解决的重要科学问题。鉴于此，本项目拟使用量子力学与分子力学耦合方法（QM/MM）系统阐明TSNAs在P450酶中代谢活化的分子机制，揭示致癌代谢物的形成路径和生成潜力；使用量子化学计算阐明多种致癌代谢物与DNA作用的分子机制，明确代谢物的构效关系；并借助DNA加合物定量表征实验对典型亚硝酰胺代谢物与DNA作用形成的加合物进行鉴定以验证理论计算结果。本项目的研究结果会深化对TSNAs的代谢和毒理研究，为其致癌风险评价提供科学指导，并为调控TSNAs代谢过程以及修复DNA损伤以阻控相关癌症提供思路。

烟草特异性亚硝胺(TSNAs)是一类广泛存在于烟草制品和烟草烟雾中的特殊亚硝胺致癌物，是烟草制品引发肺癌、口腔癌和食道癌的主要因素之一。人体细胞色素P450酶参与TSNAs的代谢转化过程，生成的多种亲电性代谢产物能直接与DNA反应形成共价加合物，导致DNA损伤，进而表现出高致癌活性。本项目系统研究了P450酶代谢转化四种典型TSNAs的化学机制，明确了优势反应路径及代谢产物，揭示了代谢物的毒性作用机制。研究发现，Nʹ-亚硝基降烟碱(NNN)的P450酶代谢转化路径包括α-羟基化、去亚硝化、β-羟基化、吡啶氮氧化及降可替宁形成。NNN致癌性依赖于其毒化的α-羟基化路径和其他解毒路径的动力学竞争，是所有潜在代谢路径综合表现的结果。4-(甲基亚硝胺基)-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)在6种人肝微粒体P450酶亚型中的结合亲合力顺序为：2A13 > 2B6 > 1A2 > 2A6 > 1A1 > 3A4，其中1A2和2B6优先催化NNK α-甲基羟基化路径，而其他4种P450酶亚型选择性催化α-亚甲基羟基化路径。NNK α-甲基羟基化和α-亚甲基羟基化能生成具有遗传毒性的重氮氢氧化物和醛类化合物，而反应生成的羟基化中间体也能进一步被P450酶氧化成致癌的亚硝酰胺化合物，这些高活性代谢产物均能直接与DNA反应形成共价加合物。Nʹ-亚硝基新烟草碱(NAT)和Nʹ-亚硝基假木贼碱(NAB)的致癌活性低于NNN和NNK，主要致癌路径为P450酶催化的α-羟基化，其中NAT的2-羟基化和6-羟基化路径都是其代谢的潜在致癌路径，而NAB的2ʹ-羟基化路径是其主要致癌路径。此外，尽管NAT和NAB在结构上具有很大的相似性，但后者的致癌活性可能要略高于前者。综上所述，本项目的研究不仅从分子水平上阐明了TSNAs代谢转化及毒性作用的反应机理，而且还识别了一系列的生物标志物，可以用来合理评估该类致癌物的人体代谢转化及暴露风险，具有重要的科学意义。