镉暴露致肾毒性的分子机制：基于计算机模拟的miRNA调控网络分析

本研究针对氯化镉（CdCl2）诱导肾毒性的分子机制不明问题，通过生物信息学与分子动力学模拟，揭示miRNA（如hsa-miR-146b-5p）通过调控MRPS10等关键基因介导线粒体功能障碍和氧化应激。该研究首次整合AGO-RISC复合物动态相互作用数据，为镉毒性标志物筛选及靶向治疗提供新策略。

　　

镉作为广泛存在的环境污染物，其化合物氯化镉（CdCl₂）可通过工业排放和烟草烟雾进入人体，在肾脏近端小管细胞富集并诱发氧化应激与细胞凋亡，最终导致肾功能损伤。尽管镉的肾毒性已被证实，但其分子调控机制尚不明确。近年研究表明，微小RNA（miRNA）在重金属毒性应答中扮演关键角色——这些约22个核苷酸的非编码RNA通过结合靶基因mRNA，介导RNA诱导沉默复合物（RISC）的基因调控功能。然而，镉暴露如何通过miRNA网络精确调控肾细胞毒性通路仍是未解之谜。

为破解这一难题，印度Manipal高等教育学院（Manipal Academy of Higher Education）的研究团队在《Scientific Reports》发表最新研究。他们创新性地结合生物信息学与计算生物学方法，首次绘制了镉暴露下肾小管上皮细胞的miRNA-mRNA调控图谱，并揭示了关键分子MRPS10与hsa-miR-146b-5p的动态相互作用如何驱动肾毒性进程。

研究团队采用四大核心技术：

1. 多维组学数据分析：从GEO数据库获取HK-2细胞镉暴露转录组数据（GSE27211），通过limma包筛选差异表达基因（DEGs），并利用UMAP和PCA进行降维聚类；

2. 互作网络建模：基于STRING数据库构建蛋白互作（PPI）网络，通过CytoHubba鉴定MRPS10等10个核心靶点；

3. miRNA-mRNA调控解析：整合TargetScan和miRTarBase预测调控核心基因的miRNA，构建包含264节点的调控网络；

4. 分子动态模拟：采用RNAComposer构建miRNA-mRNA双链结构，通过PatchDock将双链与AGO蛋白（PDB 3F73）对接，并运行100 ns分子动力学（MD）模拟验证结合稳定性。

研究结果

差异表达基因特征

镉暴露12/48小时后，HK-2细胞出现992个显著DEGs（316上调/676下调）。UMAP降维显示暴露组与对照组明显分离，提示时间依赖性转录重编程（见Fig. 1B）。

核心靶点与功能富集

PPI网络拓扑分析鉴定出十大核心基因，其中线粒体核糖体蛋白S10（MRPS10）评分最高。功能富集显示这些基因主要调控：

• 凋亡负调控（尤其p53通路）

• 蛋白质代谢与泛素化修饰

• 锌离子结合与氧化应激响应

  （见Fig. 3A-C）

  

miRNA调控枢纽

MRPS10受六种miRNA共同调控（hsa-miR-146b-5p, -21-5p, -324-5p, -4257, -4311, -4698）。分子对接显示所有双链均可结合AGO蛋白，其中hsa-miR-146b-5p-MRPS10双链结合能最优（ACE=-140.72），并通过ARG482等残基形成稳定氢键（见Table 4及Fig. 6A）。

分子动力学验证

100 ns模拟表明hsa-miR-146b-5p-MRPS10双链与AGO复合物结构稳定（RMSD=0.398 nm），其3'端位移促进了G11/U39/A40/G41等核苷酸与AGO的氢键网络（平均24个H键），自由能景观（FEL）显示单一能量阱（见Fig. 7-8）。

结论与意义

该研究首次阐明镉肾毒性的miRNA调控轴：暴露通过抑制hsa-miR-146b-5p等miRNA，解除对MRPS10的抑制作用，进而诱发三重病理效应：

1. 线粒体功能障碍：MRPS10下调破坏线粒体蛋白合成，导致能量代谢紊乱；

2. 凋亡逃逸：通过抑制p53通路延缓细胞凋亡，促进DNA损伤累积；

3. 氧化应激恶化：活性氧（ROS）清除能力下降，加速脂质过氧化。

这一发现具有双重价值：

• 诊断层面：hsa-miR-146b-5p等可作为镉暴露早期肾损伤的生物标志物；

• 治疗层面：AGO-RISC互作界面（如ARG482残基）为开发抗镉毒性药物提供新靶点。研究创新性地将计算模拟与实验数据整合，为重金属毒性机制研究开辟了跨学科范式。