本研究采用整合的计算毒理学方法，系统性地探究了苯并[a]芘暴露与类风湿关节炎之间的关联。分析鉴定了五个核心靶基因，揭示了这些基因在关键免疫通路中的富集，并验证了BaP-蛋白质结合的稳定性，阐明了环境污染物诱导类风湿关节炎（RA）的潜在分子机制。
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本文内容
摘要
摘要
多环芳烃（PAHs）是一类普遍存在的环境污染物，被认为是类风湿关节炎（RA）发病过程中重要的环境影响因素。苯并[a]芘（BaP）作为PAHs的关键组分，可能与RA的发病相关；然而，其潜在的毒理学机制尚未完全阐明。本研究采用网络毒理学、机器学习与分子对接相结合的综合计算方法，系统地填补了这一知识空白。首先，基于BaP的分子结构开展网络毒理学分析，通过整合并筛选多个数据库中的靶点信息，最终鉴定出15个BaP潜在的RA相关靶基因，并构建了其相互作用网络。GO和KEGG富集分析显示，这些基因显著富集于白细胞迁移、免疫细胞信号转导等生物学过程，并与NF-κB信号通路、T细胞受体信号通路等相关。随后利用STRING数据库和Cytoscape软件进行拓扑学分析，筛选出5个核心基因（LCK、ZAP70、ITK、GZMA和ITGAL），并通过机器学习进一步验证了这些基因的重要性。分子对接与分子动力学模拟结果表明，BaP与这些靶基因编码的蛋白产物具有较强的结合亲和力，能够形成构象稳定的复合物。综上所述，本研究通过整合计算方法揭示了BaP可能参与RA发生发展的潜在机制，为今后针对环境污染物相关RA的预防与治疗研究提供了理论依据。
引言
类风湿关节炎（RA）是一种常见的自身免疫性疾病，其特征为慢性滑膜炎和血管翳形成，进而导致软骨进行性破坏和骨侵蚀。这些病理变化可引起关节功能障碍、病理性骨折风险增加，并最终导致残疾，严重影响患者的生活质量1。尽管RA的病因尚未完全明确，但其发病机制通常归因于遗传因素（如HLA-DR4和HLA-DR1基因亚型）与环境因素（如吸烟、饮酒、EB病毒（Epstein-Barr virus）感染、空气污染暴露）的共同作用2。流行病学研究已证实，空气污染中的多环芳烃（PAHs）与RA发病风险升高之间存在显著关联3。
多环芳烃（PAHs）是一类常见的空气污染物，来源于煤炭、石油、天然气和烟草等物质的不完全燃烧，被认为是类风湿关节炎（RA）发病过程中重要的环境介导因子。PAHs可与免疫细胞中的芳香烃受体（AHR）复合物结合，导致核定位信号暴露，进而促使配体-AHR复合物转位至细胞核内。在RA发病机制中，与PAH结合的AHR作为关键的环境感应器，通过多个相互关联的通路驱动免疫系统失调。AHR激活后，会与ARNT形成异源二聚体，并调控CYP基因的表达，启动炎症级联反应4。同时，AHR的激活会破坏促炎性T细胞与调节性T细胞之间的平衡：一方面，其触发AHR/Jag1/Notch信号轴，增强Th17细胞的细胞因子释....
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方案
伦理声明
本研究未直接涉及任何人类参与者或动物受试对象。
苯并[a]芘靶标获取
通过整合多个数据库的数据对苯并[a]芘（BaP）进行了表征。在PubChem数据库（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）中使用“Benzo[a]pyrene”作为关键词检索，获取其化学结构和标准二维结构（SMILES字符串：C1=CC=C2C3=C4C(=CC2=C1)C=CC5=C4C(=CC=C5)C=C3）14。潜在的BaP靶标从ChEMBL（https://www.ebi.ac.uk/chembl/）、SEA（https://sea.bkslab.org/）和PharmMapper（http://lilab-ecust.cn/pharmmapper）数据库中获取15,16,17。所有预测的靶标均限定于智人（Homo sapiens）蛋白质组。预测的BaP靶标完整列表（n = 474）见补充表S1。完整的分析流程在图1中以示意图形式展示。
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结果
BaP 靶点获取
BaP 的分子结构数据来自 PubChem 数据库（图 2A）。通过整合来自三个互补数据库——ChEMBL、PharmMapper 和 SEA 的信息，系统性预测了 BaP 的潜在生物学靶点，共鉴定出 474 个潜在靶点（图 2B）。
![多环芳烃结构，维恩图；苯并[a]芘化合物，基因重叠分析。](/files/ftp_upload/70636/70636fig2.jpg "figure-results-1")
图 2．与类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）相关的苯并[a]芘（BaP）靶蛋白的鉴定。（A）BaP 的化学结构，显示其分子构.......
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讨论
类风湿关节炎（RA）是一种复杂的自身免疫性疾病，由遗传易感性与环境因素相互作用所致。在众多环境风险因素中，多环芳烃（PAHs）作为最常见的空气污染物之一，被认为是连接环境暴露与RA发病的重要环节。早期研究初步揭示，PAHs可通过芳香烃受体（AHR）通路影响免疫细胞分化的平衡，并诱导氧化应激。苯并[a]芘（BaP）是PAHs中具有高度代表性的组分，因其毒性强且在环境中广泛存在而受到广泛关注22。然而，BaP在特定细胞和信号网络中的直接作用靶点及核心作用机制尚不明确，这限制了对RA风险的预警能力以及针对环境因素的早期干预设计。为弥补这一空白，本研究提出假设：BaP可能通过直接结合五个核心免疫相关蛋白（LCK、ZAP70、ITK、GZMA和ITGAL），进而干扰T细胞受体、NF-κB和Th17信号通路，促进RA的发生发展。本研究通过整合网络毒理学、机器学习与分子对接技术，尝试构建一个系统的计算框架，突破单一通路分析的局限，为理解BaP通过多靶点调控机制参与RA发病提供理论依据。
通过这一整合分析，从最初的15个基因中鉴定出5个与类风湿关节炎.......
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披露
作者在本研究中无利益冲突。
致谢
本工作得到国家自然科学基金 [资助号 82274435、82074223]；中央级重点专项：贵重中药资源可持续利用能力建设 [资助号 2060302]；以及 2022 年第五批全国中医药临床优秀人才研修项目 [资助号 2022178] 的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AutoDock Vina | https://vina.scripps.edu | 1.2.5 (SCR_011958) | 分子对接软件 |
| clusterProfiler (R 软件包) | https://bioconductor.org/packages/clusterProfiler | 4.10.0 (SCR_016884) | 用于富集分析的 R 软件包 |
| CytoHubba (Cytoscape 插件) | https://apps.cytoscape.org/apps/cytohubba | 0.1 | 用于枢纽基因识别的插件（Degree 算法） |
| Cytoscape | https://cytoscape.org | 3.10.1 (SCR_003032) | 网络可视化软件 |
| Discovery Studio | Dassault Systèmes BIOVIA | 2021 | 用于生成二维相互作用图的软件 |
| enrichplot (R 软件包) | https://bioconductor.org/packages/enrichplot | 1.22.0 (SCR_021165) | 用于富集结果可视化的 R 软件包 |
| GROMACS | https://www.gromacs.org | 2025.3 (SCR_014565) | 分子动力学模拟软件 |
| limma (R 软件包) | https://bioconductor.org/packages/limma | 3.58.1 (SCR_010943) | 用于差异表达分析的 R 软件包 |
| org.Hs.eg.db (R 软件包) | https://bioconductor.org/packages/org.Hs.eg.db | 3.18.0 (SCR_006442) | 用于人类基因标识符注释的 R 软件包 |
| PyMol | Schrödinger, Inc | 2.5.7 (SCR_000305) | 分子可视化软件 |
| QtGrace | https://sourceforge.net/projects/grace/ | 0.2.6 | 用于轨迹分析的绘图工具 |
| R (编程环境) | https://www.r-project.org | 4.3.1 (SCR_001905) | 统计计算软件 |
| STRING 数据库 | https://string-db.org | 12 (SCR_005223) | 蛋白质-蛋白质相互作用数据库 |
| venn (R 软件包) | https://cran.r-project.org/package=venn | 1.11 | 用于生成维恩图的 R 软件包 |
| WGCNA (R 软件包) | https://cran.r-project.org/package=WGCNA | 1.72 (SCR_003302) | 专用于加权共表达网络分析的 R 软件包 |
参考文献
- Zhao, Y., Chen, G. Y., Fang, M. Research trends of rheumatoid arthritis and depression from 2019 to 2023: a bibliometric analysis. J Multidiscip Healthc. 17, 4465-4474 (2024).
- Venetsanopoulou, A. I., Alamanos, Y., Voulgari, P. V., Drosos, A. A.
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