空气污染致肺腺癌的网络毒理学机制：生物信息学揭示关键基因与通路

本研究针对空气污染作为肺腺癌（LUAD）重要风险因素但机制不明的现状，通过整合网络毒理学与生物信息学方法，系统分析了BaP、苯、CO、O3、SO2和甲苯等六种污染物的作用靶点与LUAD转录组数据的交集，鉴定出ICAM1、COL3A1、MMP3/9和COL1A1等关键介质基因，揭示其通过调控PI3K?Akt和Ras信号通路促进LUAD发展的分子机制，为环境因素致肺癌的干预提供新靶点。

　　

当我们呼吸的空气中潜藏着看不见的健康威胁时，科学界正在努力揭示这些环境因素与疾病之间的神秘联系。肺腺癌（Lung Adenocarcinoma, LUAD）作为肺癌最常见的组织学亚型，其发病机制复杂且早期诊断困难，约60-80%的患者确诊时已失去手术机会。虽然遗传因素的作用不可忽视，但越来越多的证据表明，空气污染是推动LUAD发生发展的重要环境推手。特别是中国云南宣威地区异常高发的肺癌病例，更是将空气污染与肺癌的关联性推到了研究前沿。然而，传统的毒理学研究多聚焦于单一污染物的效应，难以反映真实环境中多种污染物混合暴露的复杂毒性效应。为了系统揭示空气污染物混合暴露影响LUAD的分子机制，研究人员开展了一项融合网络毒理学、生物信息学与分子对接技术的创新研究。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先从CHEMBL、SwissTargetPrediction和STITCH数据库获取六种空气污染物的作用靶点；接着利用TCGA数据库的LUAD转录组数据，通过limma包进行差异表达分析（筛选标准：|log₂FC| > 1，adj.P < 0.05）识别疾病相关基因；采用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用网络，筛选核心靶点；通过R语言进行GO功能和KEGG通路富集分析；使用GEPIA2平台进行表达验证和生存分析；最后通过CB-Dock 2进行分子对接验证污染物与靶点的结合能力。

3.1. 毒性评估结果

研究人员首先对苯并[a]芘（BaP）、苯、一氧化碳（CO）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）和甲苯等六种空气污染物进行了系统的毒性评估。利用ADMETLAB 3.0和ProTox 3两个毒性预测平台，以致癌性为评价指标，确认所有六种污染物均表现出不同程度的致癌潜力，为后续研究提供了毒性学基础。

3.2. 污染物靶点基因收集

通过整合多个数据库的靶点信息，研究共收集到767个污染物相关靶点基因，去重后获得702个独特基因。其中BaP的靶点最为丰富（647个），而O₃和甲苯的靶点相对较少（分别为10个和11个），反映了不同污染物的作用机制复杂性存在差异。

3.3. 肺腺癌相关基因筛选

从TCGA数据库获取LUAD转录组数据，通过差异表达分析识别出4,630个差异表达基因（DEGs），其中上调基因2,281个，下调基因2,349个。这些基因构成了LUAD的分子特征图谱，为寻找与污染物靶点的交集提供了疾病背景。

3.4. 核心靶点筛选与PPI网络构建

研究发现污染物靶点与LUAD差异表达基因存在172个交集基因。通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析，筛选出159个显著相关的靶点，并基于Degree值识别出前五个核心基因：COL1A1、COL3A1、ICAM1、MMP3和MMP9。这些基因在连接污染物暴露与LUAD发展中可能起到关键桥梁作用。

3.5. 生存分析

利用GEPIA2平台对五个核心基因在LUAD中的表达和预后价值进行评估。结果显示COL1A1和COL3A1在肿瘤组织中显著上调，但在本队列中与患者总生存期无显著相关性。ICAM1、MMP3和MMP9在特定促炎亚型中上调，但其mRNA表达水平与LUAD患者总生存期也无显著关联，提示它们作为独立预后标志物的价值有限。

3.6. GO/KEGG富集分析

功能富集分析揭示了172个交集基因的生物学意义。GO分析显示这些基因主要参与对外部刺激的反应、肽激素信号传导、细胞外基质组织和MAPK级联的正向调控等生物过程。KEGG通路分析表明这些基因显著富集于细胞外基质（ECM）-受体相互作用、黏着斑、PI3K–Akt信号通路、Ras信号通路和小细胞肺癌等通路。这些发现提示空气污染物可能通过调控PI3K?Akt和Ras信号通路、ECM-受体相互作用和MAPK级联调控等关键途径，参与LUAD的启动和进展。

3.7. "污染物-核心靶点-疾病"网络构建

研究通过Cytoscape软件构建了"污染物-关键靶点-疾病"相互作用网络，直观展示了六种空气污染物、LUAD相关靶点及其交集靶点之间的复杂关系网络，为理解多污染物混合暴露的毒性机制提供了系统视角。

3.8. 分子对接验证

分子对接分析显示所有五个核心基因都能与六种空气污染物自发结合（结合能<0 kcal/mol）。其中，ICAM1、COL3A1、MMP3和MMP9与BaP结合，COL1A1和MMP3与甲苯结合，结合能均低于-5 kcal/mol，表明这些结合具有稳定性。特别值得注意的是，BaP与MMP3的结合能最低，达到-9.6 kcal/mol，提示二者之间存在极强的相互作用。

研究结论部分指出，空气污染中的有害物质与心血管疾病、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘、下呼吸道感染和肺癌等多种疾病的发生发展相关。肺腺癌的发展既与遗传因素有关，也受到环境因素的影响。长期暴露于空气污染可能增加患肺癌的风险并与患者生存率降低相关。

本研究通过整合多种计算方法，初步揭示了空气污染物促进肺腺癌发展的机制。BaP、苯、CO、O₃、SO₂和甲苯可能通过调控COL1A1、COL3A1、ICAM1、MMP3和MMP9等关键靶点发挥作用。功能分析表明这些基因主要参与肽激素反应、细胞外基质组织和MAPK级联的正向调控等生物过程，并通过PI3K–Akt和Ras信号通路影响肺腺癌的发展进程。分子对接结果进一步证明这些污染物的活性成分与核心靶蛋白具有较强的结合亲和力和稳定的结合构象，为它们相互作用的可能性提供了理论支持。

值得注意的是，分子对接结果显示BaP与ICAM1蛋白存在稳定的结合构象和高结合亲和力，提示其可能直接干扰ICAM1功能。在肺腺癌中，ICAM1表达受肝脏激酶B1（LKB1）调控。ICAM1的下调会损害T细胞归巢和激活，从而促进免疫逃逸。值得注意的是，CDK4/6抑制剂可以恢复ICAM1表达，增强T细胞浸润，逆转免疫治疗的耐药性。LKB1是ICAM1的关键上游正调控因子。LKB1功能丧失（通过突变或敲低）直接导致肿瘤细胞上ICAM1表达的显著下调。研究表明CDK4/6抑制剂（如palbociclib）可以通过抑制RB蛋白磷酸化来逆转LKB1缺陷诱导的ICAM1抑制，从而上调ICAM1表达，重塑肿瘤免疫微环境，使LKB1突变肿瘤重新对免疫治疗敏感。

此外，这类环境毒物驱动的慢性炎症机制并非孤立现象。最近研究表明，乙草胺暴露可诱导大量活性氧（ROS）产生，导致氧化应激和细胞凋亡。重要的是，氧化应激是肺部炎症的核心起始因素。我们的发现超越了传统空气污染物；近年来日益受到关注的其他环境毒物，包括广泛使用的除草剂乙草胺，也有报道显示与肺癌风险升高存在潜在关联。吸入暴露于环境污染物可对呼吸系统，特别是肺组织造成严重损害。除了传统的炎症反应外，氧化应激及其介导的程序性细胞死亡，如凋亡和自噬，被认为是核心机制。最近对聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的研究提供了支持这一范式的有力证据。该研究系统地阐明了PS-MPs诱导氧化应激的分子途径，同时激活自噬和凋亡信号网络，最终导致肺组织损伤。这些发现为了解微塑料的呼吸毒性提供了重要的理论基础。

生物信息的核心价值在于其能够通过高通量数据分析（如转录组学、蛋白质组学）深入探索潜在分子机制并识别关键靶点，从而为解决复杂的生物学问题提供新视角。例如，在环境毒理学研究中，传统方法通常难以全面阐明化学物质（如除草剂乙草胺）的毒性途径。通过采用转录组学等生物信息学分析，研究人员可以快速 pinpoint 参与肝毒性的关键免疫和细胞死亡相关途径，以及关键受体如GPR120。这为后续的实验验证和干预策略制定提供了精确方向。生物信息的价值远不止于通过转录组分析识别关键基因。这种方法也体现在使用计算模拟技术，如分子对接，直接预测化合物与毒理学靶点之间的相互作用。例如，在一项关于铜神经毒性的研究中，研究人员采用分子对接分析准确预测了来自Omega-3的二十二碳六烯酸（DHA）如何结合并稳定核心炎症因子IL-1β的活性位点。这一预测为随后阐明DHA通过MAPK/NF-κB/MLKL信号轴发挥神经保护作用提供了关键的分子水平证据。生物信息的进步显著加速了环境因素与肺腺癌关系的研究，使其成为识别疾病相关靶点和途径的重要方法。

该研究最终得出结论，为了系统阐明空气污染物与肺癌之间可能存在的联系，本研究整合了分子对接、网络毒理学和生物信息学方法。研究结果表明，空气污染可能通过五个重要基因（ICAM1、COL3A1、MMP3、MMP9和COL1A1）与肺腺癌的发展相关联。这一发现为空气污染影响疾病进程的分子机制提供了新的理论认识。此外，这些重要基因为肺癌的靶向治疗、预后评估和诊断筛查提供了有前景的分子靶点。未来的研究将优先对这些基因的功能机制进行实验表征，并探索其潜在的临床应用价值。

这项研究不仅为理解空气污染与肺腺癌的关系提供了新的分子视角，也为环境因素相关疾病的防控策略制定提供了科学依据，展示了多学科方法在解决复杂生物医学问题中的强大潜力。