揭示环境中的苯酚-3暴露与慢性肾病之间的分子机制

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Unraveling the molecular mechanisms underlying environmental benzophenone-3 exposure and chronic kidney disease

空气污染通过免疫靶点调控影响银屑病发生发展，本研究整合网络毒理学与机器学习，发现51个共现基因富集于IL-17和JAK-STAT通路，构建的12基因诊断模型（如S100A9、IL4R）在多个队列中AUC达0.91-0.97，分子对接证实甲苯与AHR、JAK1等蛋白结合能<-5.0 kcal/mol。

　　空气污染已成为全球范围内影响人类健康的重要环境问题之一，其对免疫系统的影响尤为显著。近年来，越来越多的研究表明，长期暴露于空气污染物可能与免疫介导疾病的发展和加重密切相关，其中包括银屑病。银屑病是一种典型的慢性炎症性皮肤病，其特征包括树突状细胞的异常激活、IL-23/IL-17轴细胞因子的过度产生以及角质形成细胞的过度增殖。尽管已知的遗传风险位点如HLA-Cw6和IL23R已被广泛研究，但环境因素在银屑病的发病和病情加重中扮演着越来越重要的角色。然而，目前对于空气污染如何通过分子机制影响银屑病的了解仍然有限。

传统毒理学方法主要关注单一化学物质对特定分子靶点或通路的影响，虽然这些方法在揭示疾病机制方面取得了显著成果，但它们在解释复杂环境暴露导致的多因素疾病发病机制时存在局限性。因此，系统毒理学作为一种新兴的跨学科领域，结合了网络生物学和环境毒理学，为探索污染物-靶点-疾病之间的复杂关系提供了新的视角。系统毒理学能够识别关键的分子枢纽，这些枢纽可能在污染物暴露与疾病发生之间起到桥梁作用，从而更全面地理解环境免疫毒性。

本研究采用了一种综合性的网络毒理学框架，结合机器学习和分子对接技术，以探究空气污染与银屑病之间的机制联系。通过整合空气污染物相关基因与银屑病相关基因，我们识别出51个共享的分子靶点，这些靶点主要富集于IL-17、JAK-STAT以及细胞因子信号传导通路。随后，我们构建了113种机器学习分类器，并在三个独立的验证数据集中测试了其诊断性能，结果显示，一个由12个基因组成的模型表现出强大的诊断能力，其AUC值在0.911至0.966之间。这些基因包括S100A9、IL4R和CCL20等，它们在银屑病的发病机制中可能具有重要作用。

在分子对接分析中，我们发现甲苯与AHR、JAK1和NOS2等免疫相关靶点表现出高结合亲和力（结合自由能低于-5.0 kcal/mol），这表明甲苯可能通过干扰这些关键免疫靶点来影响银屑病的免疫调节过程。此外，我们还对其他污染物进行了类似的分析，如一氧化碳、二氧化氮、臭氧、二氧化硫、苯和挥发性有机化合物（VOCs），并评估了它们与免疫靶点之间的潜在相互作用。

为了验证这些分子靶点在银屑病中的作用，我们进行了体外和体内实验。在体外实验中，我们使用了人角质形成细胞HaCaT细胞系，并在IL-17刺激下检测了S100A9的表达水平。结果显示，IL-17处理显著提高了S100A9的mRNA和蛋白表达水平。在体内实验中，我们使用了咪喹莫特（IMQ）诱导的小鼠银屑病样皮炎模型，并在皮肤病变区域检测了S100A9的表达情况。结果表明，S100A9在病变的表皮层中显著上调，进一步支持了其在银屑病发病机制中的重要性。

本研究还通过系统毒理学方法，对污染物-靶点-疾病之间的相互作用进行了深入分析。我们利用基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库，对污染物相关靶点和银屑病相关基因的功能进行了富集分析。结果显示，这些基因主要参与细胞因子信号传导、适应性免疫反应和炎症调节等过程。此外，通过计算生物学方法，我们还构建了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，以识别关键的枢纽基因，如TNF、IL6、IL1B、IFNG、JAK1和STAT3等，这些基因在银屑病的免疫信号传导中可能起到核心作用。

本研究的机器学习模型不仅在训练数据集中表现出良好的诊断性能，而且在三个独立的验证数据集中也保持了较高的准确性。这表明我们识别的基因特征具有良好的泛化能力，并且可能在银屑病的诊断和治疗中具有潜在的应用价值。此外，通过单细胞转录组学分析，我们进一步验证了这些基因在不同免疫细胞类型中的表达模式，揭示了它们在银屑病发病过程中的细胞特异性作用。

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，虽然计算模型提供了有价值的分子机制假设，但需要进一步的体外和体内实验来验证这些假设。其次，用于模型训练的转录组数据主要来源于皮肤活检样本，可能无法全面反映系统性免疫反应。此外，我们的分析仅限于具有明确三维结构的污染物，可能低估了其他空气污染物的影响。最后，尽管分子对接结果表明甲苯与多个关键免疫靶点存在强相互作用，但这些结果仍需进一步实验验证，以确认其在真实环境暴露条件下的生物学意义。

综上所述，本研究通过整合网络毒理学、机器学习和分子对接技术，揭示了空气污染与银屑病之间的潜在分子机制。我们识别出了一组具有诊断价值和机制意义的基因，并提出了这些基因可能作为环境影响的生物标志物。这些发现为未来银屑病的预防和治疗策略提供了新的思路，同时也强调了进一步研究环境暴露与免疫疾病之间关系的重要性。未来的研究可以扩展到更多具有不同遗传背景和临床表现的银屑病亚型，以提高模型的适用性和精准度。