通过半机制计算建模解析NRF2与SRXN1定量关系揭示化合物特异性转录调控机制

本研究针对NRF2转录因子活性调控机制不明确的问题，通过建立非线性混合效应模型分析多种电泳物暴露下NRF2与SRXN1的动力学关系，发现NRF2需要辅因子X的动态修饰才能有效调控SRXN1表达，且该过程具有时间、化合物和暴露方案特异性，为氧化应激响应机制提供了定量化见解。

　　

在药物研发过程中，药物性肝损伤(DILI)是导致临床前和临床试验失败的主要原因之一。氧化应激反应(OSR)作为DILI的关键通路，其核心转录因子核因子红细胞2相关因子2(NRF2)通过调控抗氧化反应元件(ARE)基因表达来维持细胞稳态。然而，NRF2如何灵活调控下游靶基因的表达仍不明确，特别是不同化合物和暴露场景下NRF2与下游基因的定量关系尚未得到系统阐释。这限制了我们对氧化应激响应机制的理解和化学风险评估的精准预测。

为了揭示NRF2与关键下游靶基因硫氧还蛋白还原酶1(SRXN1)之间的定量调控关系，来自荷兰莱顿大学药物研究中心的Raju Prasad Sharma等研究人员在《Toxicology》发表了最新研究成果。他们利用HepG2 BAC-GFP报告细胞系，通过活细胞成像技术获得了四种电泳物（萝卜硫素Sul、穿心莲内酯Andr、依他尼酸ETA和CDDO-me）在不同浓度和暴露方案（单次暴露32/48小时，重复暴露8+24/24+24小时）下NRF2和SRXN1的动力学数据。基于这些实验数据，研究团队开发了半机制数学模型，采用非线性混合效应建模方法，通过贝叶斯框架进行参数校准。

研究主要采用三种建模策略：恒定NRF2转录活性模型、固定辅因子X修饰模型和动态辅因子X修饰模型。通过比较不同模型的拟合优度，发现只有引入动态变化的辅因子X（代表可能存在的共激活因子如p300/CBP或小MAF蛋白等）才能准确描述所有化合物和暴露场景下的SRXN1表达动力学。模型校准采用MCSim软件进行马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)模拟，并利用全局敏感性分析评估参数影响力。

研究结果首先通过NRF2-SRXN1滞后曲线揭示了两者间的非线性关系。所有化合物均显示SRXN1表达相对于NRF2激活存在延迟，呈现"逆时针滞后"现象。不同化合物间存在显著差异：虽然Sul和Andr诱导的NRF2最大表达量相似，但SRXN1表达量相差3倍；CDDO诱导的NRF2表达量较低却引起更强的SRXN1响应。

在建模分析部分，简单Hill动力学模型仅能部分拟合Sul的数据，无法解释其他化合物的响应差异。固定辅因子X模型虽略有改善，但仍不能捕捉SRXN1晚期衰减动力学。最终动态辅因子X模型成功描述了所有化合物和暴露场景下的SRXN1动力学，R2值普遍超过0.9。该模型预测NRF2中修饰部分（具有高转录活性）的比例随时间动态变化，且具有化合物和暴露场景特异性：Sul处理导致最高比例的NRF2修饰，而Andr处理最低；CDDO处理下修饰NRF2的衰减速率较慢，与其化合物稳定性一致。

重复暴露场景分析进一步验证了模型的适用性。早期第二次暴露（8小时）通常导致修饰NRF2水平超过连续暴露的最大值，而晚期第二次暴露（24小时）影响较小。敏感性分析显示参数K_mm（修饰NRF2的米氏常数）主要影响晚期动力学，而V_max1（最大转录速率）和K_mu（未修饰NRF2的米氏常数）影响整个时间进程。

研究结论表明，NRF2对SRXN1的转录调控不仅取决于其核丰度，更受到动态辅因子修饰的精细调控。这种修饰过程具有时间依赖性、化合物特异性和暴露方案特异性，说明NRF2转录活性受到复杂的上游信号网络（可能包括激酶ERK、p38 MAPK或组蛋白乙酰转移酶p300/CBP等）的调控。该研究首次定量揭示了NRF2-SRXN1调控关系的动态本质，为理解氧化应激响应提供了机制性见解。

这项研究的科学意义在于：首先，建立了NRF2信号通路的定量预测模型，可用于预测不同化学暴露下的抗氧化响应；其次，揭示了化合物特异性效应的机制基础，为化学风险评估提供了新工具；最后，提出的动态辅因子修饰概念为后续实验研究指明了方向，如鉴定具体的辅因子蛋白及其调控机制。这些发现对理解细胞应激响应机制和预测化学物质毒性具有重要价值，为开发更精准的毒性测试策略奠定了理论基础。