多氯联苯(Polychlorinated biphenyls, PCBs)是具有高毒性、持久性、易于生物积累、能在环境中长距离转移等特点的含氯有机化合物。PCBs具有高脂溶性、低水溶性和结构稳定等特性,导致其易在脂肪组织中发生蓄积从而富集到生物体内,并能沿着食物链逐级放大,最终对食物链顶端的人类和动物的健康产生危害。多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)是一种性能优异的溴代阻燃剂,被广泛使用于工业产品特别是电子产品以及泡沫、家具和室内装饰品等产品中。PBDEs是一种高脂溶性、低水溶性的化合物,易于在生物体内积累并通过食物链浓缩放大,且PBDEs具有非常稳定的理化性质,难以降解,因此PBDEs对动物和人类的潜在危害已经引起了世界范围的持续关注。实验研究证实多种PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物具有内分泌干扰活性,对包括雌激素、雄激素和甲状腺激素在内的多种内分泌激素产生干扰。然而,由于PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物的种类繁多,如果逐一测定内分泌干扰活性不仅需要大量的人力、时间和资金,而且不同研究者测得的实验结果也具有一定的差异和不确定性,导致对PCBs和PBDEs的内分泌干扰作用的微观机理研究及生态风险评价工作仍存在一定不足。因此,有必要依托有限的毒性数据,选用更有效率和成本更低的方法,如定量结构-活性关系(Quantitative structure-activity relationship, QSAR)来研究PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物的内分泌干扰活性,为探究PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物对生物体的内分泌干扰作用的微观机理提供有益参考,为进一步的生态风险评价提供数据支撑。本论文工作以PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物(HO-PCBs和HO-PBDEs)为目标化合物,采用3D-QSAR、分子对接和分子动力学模拟相结合的方法研究上述化合物的内分泌干扰活性的定量结构-活性关系,建立内分泌干扰活性预测模型,分析目标化合物与内分泌相关受体间的作用机理。论文第一章对PCBs和PBDEs及其羟基化衍生物内分泌干扰活性的实验研究情况做了简单介绍,并介绍了QSAR、分子对接以及分子动力学模拟方法的基本思想、操作步骤及其应用。论文第二章包括三部分。在第二章第一节,采用3D-QSAR,分子对接和分子动力学模拟相结合的方法研究了PCBs结构与抗雄激素活性的关系。本节中采取分子对接方法获得PCBs在雄激素受体中的活性构象,以活性构象为基础建立抗雄激素活性的3D-QSAR预测模型,所得模型具有良好的稳健性和预测能力(q2=0.665,r2=0.945)。通过分子对接和分子动力学模拟方法分析了PCBs与雄激素受体的相互作用,结果表明配体-受体之间存在较强的疏水相互作用。结合自由能计算结果表明疏水作用是PCBs与雄激素受体形成复合物的主要驱动力。氨基酸残基Leu704, Leu707, Met742, Met745和Phe764是影响结合的重要残基。在第二章第二节,我们通过3D-QSAR研究了HO-PCBs的结构与抗雄激素活性的关系。对训练集通过区域聚焦得到的预测模型的q2为0.554,r2为0.918,预测模型的稳健性和预测能力令人满意,并且提供了影响抗雄激素活性的结构特征。通过分子对接发现HO-PCBs与氨基酸残基Gln711形成的氢键以及与疏水性残基的疏水作用对于HO-PCBs与雄激素受体的结合发挥了重要作用,分子动力学模拟获得的复合物平均结构验证了分子对接的可靠性。第二章第三节对HO-PCBs拟雌激素活性开展定量结构-活性关系研究,并比较了不同叠合方式(基于配体叠合和基于受体叠合)对模型的影响。发现基于受体叠合建立的CoMSIA模型的统计学结果(q2=0.648,r2=0.968)明显优与基于配体叠合所得到的模型(q2=0.283,r2=0.648),说明通过分子对接得到的生物活性构象能够有效的提高模型的质量。分子动力学模拟发现范德华作用能和静电能对复合物的形成起了主要贡献,结合自由能计算结果表明不同活性的化合物的结合自由能大小顺序与拟雌激素活性大小顺序一致。论文第三章由三部分组成。在第三章第一节,基于同源模建得到的芳香烃受体蛋白和分子对接技术,获得了PBDEs的活性构象,建立了PBDEs芳香烃受体活性的3D-QSAR模型。比较基于对接后公共结构叠合得到的模型(q2=0.509,r2=0.780)和基于受体叠合建立的模型(q2=0.605,r2=0.996)的统计学结果可以发现,基于受体叠合的模型具有更好的稳健性和预测能力。分子对接结果显示氢键作用和疏水作用是影响配体与受体结合的主要因素。论文第三章第二节,采用3D-QSAR,分子对接和分子动力学模拟方法研究了HO-PBDEs结构与甲状腺激素活性的关系。经过多次试算,选用空间场,静电场,氢键供体场和氢键受体场建立CoMSIA模型。所得模型结果表明基于受体叠合的模型的稳健性和预测能力均优于基于配体叠合的模型。内部检验与外部检验表明所得模型是可靠的。分子动力学模拟结果验证了分子对接结果的可靠性。论文第三章第三节,采用分子对接、分子动力学模拟和结合自由能计算来深入了解HO-PBDEs与雌激素受体α的相互作用。通过分子对接获得HO-PBDEs的可能结合构象。以分子对接结果为基础,采用分子动力学模拟确定结合过程的细节。通过结合自由能计算和分解来揭示影响结合的主要因素,并且分析结合口袋附近一些重要残基对结合能的贡献。论文第四章对工作进行总结,介绍研究结论和创新之处,并对后续研究提出展望
