《ACS Omega》：Environmental Pollutants and Protein Destabilization in Lung Cancer: Anticancer Drug Strategies for Structural Stability
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本研究通过分子动力学模拟（MD）、分子对接和结合自由能计算（MM/PBSA），揭示了环境污染物氨基安替比林（AAP）和双酚A（BPA）对肺癌关键生物标志物——胃泌素释放肽前体（Pro-GRP）和超氧化物歧化酶（SOD）的结构 destabilization 作用，并评估了抗癌药物紫杉醇（Paclitaxel）和索托拉西布（Sotorasib）通过竞争性结合和变构调节恢复蛋白构象稳定性的潜力，为理解污染物-药物-蛋白质相互作用提供了计算证据。
引言
肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，环境污染物在其病因学中扮演关键角色。暴露于空气污染物，包括多环芳烃化合物（PACs）、硝基-PACs、双酚类（如BPA、BPS）以及环境污染物如氨基安替比林（AAP），与氧化应激、炎症和直接分子改变相关，这些改变促进致癌作用。其中，AAP和BPA被选为本研究的代表性污染物，分别代表芳香胺和酚类内分泌干扰物这两大主要化学类别。在肺癌生物标志物中，胃泌素释放肽前体（Pro-GRP）是小细胞肺癌（SCLC）的生物标志物，而超氧化物歧化酶（SOD）是关键的抗氧化酶，负责维持氧化还原稳态。本研究旨在通过计算生物学方法探究污染物与这些蛋白质的相互作用，以及抗癌药物紫杉醇（Paclitaxel）和索托拉西布（Sotorasib）在缓解污染物诱导的蛋白不稳定性方面的潜在作用。
方法
研究选取了Pro-GRP（PDB ID: 7W3Z）和SOD（PDB ID: 5YTO）的晶体结构，污染物AAP（CID: 2151）和BPA（CID: 6623），以及抗癌药物索托拉西布（CID: 137278711）和紫杉醇（CID: 36314）。研究采用了分子对接（AutoDock Vina）和分子动力学模拟（MD, GROMACS 2024, Amber99SB力场）相结合的策略。模拟总时长为54微秒，每个复合物进行1000纳秒的三次重复模拟。分析指标包括均方根偏差（RMSD）、均方根涨落（RMSF）、体系总能量、配体-受体距离、构象变化、回转半径（Rg）以及结合自由能（MM/PBSA）。统计分析采用Welch's ANOVA或one-way ANOVA，并结合事后检验（Tukey HSD或Games-Howell）。
结果与讨论
RMSD分析揭示药物在污染物存在下对Pro-GRP和SOD蛋白的稳定作用
RMSD分析显示，污染物AAP和BPA的结合导致Pro-GRP和SOD复合物的均方根偏差值显著升高，表明结构去稳定化。对于Pro-GRP，抗癌药物本身也引起轻微的构象变化，但当与污染物结合时，紫杉醇和索托拉西布均能显著降低污染物诱导的RMSD升高，表现出 mitigating 作用。对于SOD，与Pro-GRP不同，紫杉醇或索托拉西布单独作用即可显著降低其RMSD，表现出固有的稳定化能力。当药物与污染物共同存在时，它们能强力逆转污染物引起的去稳定化效应，尤其以紫杉醇的效果更为显著。从生物学角度看，Pro-GRP的 destabilization 可能影响其与胃泌素释放肽受体（GRPR）的结合及下游ERK信号通路，而SOD的构象不稳定则会损害其清除活性氧（ROS）的催化效率，加剧氧化应激。
污染物-蛋白质和药物-蛋白质复合物的热力学稳定性分析
总能量分析为复合物的热力学稳定性提供了视角。对于Pro-GRP，AAP和BPA的结合导致体系总能量显著升高，表明热力学不稳定性。紫杉醇的加入倾向于降低总能量，而索托拉西布则表现出相反的趋势，且效果依赖于污染物的种类。对于SOD，污染物结合反而显著降低了体系总能量，提示复合物稳定性增加，但这种稳定可能意味着污染物与蛋白的紧密结合，从而潜在影响其功能。抗癌药物的加入进一步降低了SOD体系的总能量，强化了稳定效果。
残基特异性柔性分析
RMSF分析揭示了蛋白质局部区域的灵活性。在Pro-GRP中，波动最大的区域位于N端、C端和中间区域，其中Trp21是关键残基，对GRP受体的激活至关重要。污染物暴露导致中间区域（包括Trp21）的波动增加，但统计上不显著。抗癌药物，特别是紫杉醇，能显著降低BPA暴露所导致的Pro-GRP柔性。对于SOD，其波动区域可分为三段，四个催化残基（His46, His48, His63, His120）位于高波动区域。AAP暴露显著增加了SOD的整体RMSF，而BPA影响较小。两种抗癌药物均能显著降低污染物暴露引起的SOD残基波动，但这种过度稳定化也可能影响酶的正常功能。
污染物和抗癌药物对蛋白质构象稳定性的影响
二级结构持久性热图分析显示，AAP结合导致Pro-GRP第19至23位残基的β-链含量减少而α-螺旋含量增加，降低了结构的紧密度，这与回转半径（Rg）结果一致。对于SOD，污染物和药物均诱导了显著的构象变化，但药物诱导的是一种新的、稳定的构象状态，而非简单恢复天然结构。紫杉醇在稳定污染物暴露蛋白方面表现出优于索托拉西布的效果。
抗癌药物对污染物结合及关键残基相互作用的影响
距离分析表明，在Pro-GRP中，紫杉醇和索托拉西布处理使AAP更靠近Trp21，而使BPA远离Trp21，这与药物和污染物之间的相互作用以及药物诱导的蛋白结构紧密度变化有关。回转半径分析证实了药物诱导的构象紧缩。在SOD中，药物对污染物与催化残基距离的影响因链而异，紫杉醇和索托拉西布通过不同的空间重排机制影响污染物位置，可能涉及竞争性结合和变构调节。
抗癌药物对污染物-蛋白质结合亲和力的影响：分子对接和MM/PBSA分析
分子对接和MM/PBSA结合自由能计算表明，AAP对Pro-GRP和SOD的结合亲和力均高于BPA。在Pro-GRP中，索托拉西布增加了污染物与蛋白的结合亲和力，而紫杉醇影响不显著。在SOD中，紫杉醇显著降低了AAP的结合亲和力，对BPA无显著影响；索托拉西布则降低了两种污染物的结合亲和力。能量分解分析显示，竞争性置换主要由范德华力和静电作用主导，而变构稳定化则与极性溶剂化罚分的减少和非极性作用的改善相关。
每个残基的结合自由能贡献分析表明，AAP与Pro-GRP的Trp21有强相互作用，紫杉醇能削弱这种作用，而索托拉西布则不能。BPA与Trp21无显著亲和力，但两种药物都能增加其亲和力，提示可能的变构效应。在SOD中，药物处理改变了污染物与催化残基的亲和力，这与污染物在药物存在下空间位置的改变密切相关。
结论
本研究通过计算模拟揭示了环境污染物AAP和BPA对肺癌相关蛋白Pro-GRP和SOD的结构去稳定化作用。抗癌药物，特别是紫杉醇，能够通过竞争性结合和变构调节部分恢复蛋白结构的稳定性。研究结果表明，紫杉醇在稳定污染物暴露的蛋白方面比索托拉西布更具优势。值得注意的是，Pro-GRP + AAP + Sotorasib 和 SOD + BPA + Paclitaxel 复合物表现出比相应蛋白-污染物复合物更强的结合亲和力，鉴于Pro-GRP和SOD1在肺癌（尤其是SCLC和NSCLC）中表达升高，这一发现提示了污染物与药物相互作用的复杂性。这些结果为理解环境暴露如何影响肺癌中的药物-蛋白质相互作用提供了计算层面的证据，但需要实验验证以确立其生物学和临床意义。
局限性
本研究仅关注计算模拟中观察到的急性、单一污染物结合事件，未模拟剂量依赖性或慢性暴露场景。依赖计算模拟而缺乏体外或体内验证限制了结果的转化应用。仅研究了两种污染物和两种药物，更广泛的化合物测试有助于评估趋势的普适性。浓度效应和慢性暴露情景是未来研究的重要方向。
