二甲基亚砷酸在人体内转化为硫代甲基砷酸的分子机制研究

Several thioarsenicals have recently been found as new arsenic metabolites in human urine, saliva and nail samples. Some of those metabolites, such as dimethylmonothioarsinic acid, is highly genotoxic and cytotoxic, similar to dimethylarsinous acid. Previous studies indicate that these thiolated arsenicals may play much more important roles in arsenic metabolism than early thought. However, the metabolic pathways of thioarsenicals have not been fully understood yet because of the instability of some key thiolated arsenicals, the complexity of biological samples, and the limitation of analytical techn. The aim of the present project is to elucidate the metabolic pathway of the thioarsenicals by high-level and efficient quantum chemical calculations and to validate the results by laboratory experiments. Dimethyarsinous acis, a key compound involved in arsenic metabolism in human, will be selected in this study. First, computational analysis will be carried out for the formation pathway of thioarsenicals from dimethylarsinous acid in the presence of H2S and GSH without considering the involvement of enzyme. Second, the formation pathway of thioarsenicals from dimethylarsinous acid under the catalysis of rhodanese will be further explored using quantum mechanics/molecular mechanics. Finally, the results obtained by theoretical calculations will be validated using surface enhanced Raman scattering (SERS) technique and HPLC-ICP-MS method. The results of this study will provide important information for better understanding of the metabolic processes involving thiolated arsenic in human.

最新研究发现在尿液和唾液等多种生物样品中检测到多种新型含硫砷化物，其中硫代二甲基砷酸的毒性类似二甲基亚砷酸，具有较强的基因毒性和细胞毒性。含硫砷酸在人体砷代谢过程中起重要作用，但因其不稳定性及分析技术限制导致其代谢机制仍不清晰。本项目拟以无机砷在人体代谢中产生的关键中间体二甲基亚砷酸为反应起点，采用密度泛函计算方法，研究无酶催化下二甲基亚砷酸在硫化氢和谷胱甘肽等小分子作用下生成含硫砷酸化合物的反应历程，从热力学和动力学计算结果判断反应历程的合理性；同时利用分层计算方法，研究硫氰酸酶催化二甲基亚砷酸生成硫代二甲基砷酸的反应机制。基于理论计算结果，采用表面增强拉曼光谱对关键反应历程进行监测，获取反应过程中砷形态变化规律。辅以HPLC-ICP-MS等方法对关键反应物进行定性和定量测定，获得关键反应物的结构及反应的速率常数。结合理论计算结果和实验数据，阐明硫代二甲基砷酸人体内转化机制及代谢规律。

含硫砷化合物在人体砷代谢过程中起着重要作用，但是因为其不稳定性和分析技术限制导致其代谢机制仍不清晰。目前已知人体内含有多种含硫砷代谢物，鉴定不同生物质中的砷化合物对于了解人体内砷的代谢机制具有重要意义。同时，量子化学方法是探讨砷化合物代谢机制的有力工具，可以用来研究砷化合物的稳定性和生成机制等。本课题采用实验方法与理论计算相结合的研究手段，完成了以下工作：.（1）采用实验方法测定了七种典型含硫砷代谢物的拉曼光谱，并使用密度泛函B3LYP和6-311++G**基组进行了理论计算，最终获得了二甲基砷酸，一甲基亚砷酸，二甲基亚砷酸，二甲基一硫代砷酸和二甲基二硫代砷酸等砷化合物中不同振动峰的拉曼光谱，为鉴定不同形态的砷代谢物提供了有利的分析方法。.（2）采用量子化学方法M06-2X/6-311+g(d,p) 对非酶作用下的二甲基一硫代砷酸和二甲基二硫代砷酸的生成机制进行了理论计算，获得了典型含硫砷化合物在非酶作用下的可能反应路径。.（3）根据细菌的甲基转移酶CmArsM(PDB ID:6CX6 )同源模建获得人源甲基转移酶hAS3MT，采用分子对接等理论计算方法计算了人体内主要的砷化合物与甲基转移酶的作用，理论计算了砷化合物在体内的甲基化过程。 .本项目基本完成了研究目标，为典型含硫砷化合物的形态分析提供了新的分析方法，并对非酶作用下二甲基一硫代砷酸和二甲基二硫代砷酸的可能反应通路进行了理论探索，同时研究了砷化合物在人体内的甲基化过程，为含硫砷的分析鉴定以及代谢机制提供了新的分析方法和理论研究基础。在项目执行期间共发表SCI论文3篇，其中含硫砷的拉曼光谱表征作为唯一标注发表在国际期刊Talanta上面（Talanta, 2018, 179, 520-530），其他合作内容分别作为第二标注和第三标注发表在Environmental Pollution（Environmental Pollution. 2019, 248, 536-545）和Ecotoxicology and Enivonmental Safety（Ecotoxicology and Enivonmental Safety, 2019, 171, 647-656）上。