朱婧涵，薛嶠，張愛(ài)茜

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

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對(duì)特辛基苯酚干擾雌激素受體作用的分子基礎(chǔ)及其對(duì)ERβ亞型選擇性結(jié)合的理論研究

朱婧涵，薛嶠，張愛(ài)茜*

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

對(duì)特辛基苯酚(4-tert-octylphenol, PTOP)是一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物。已有研究發(fā)現(xiàn)雖然其能夠直接與雌激素受體(estrogen receptor, ER)的兩種亞型(ERα, ERβ)結(jié)合并產(chǎn)生干擾效應(yīng)，但其結(jié)合能力卻各不相同，PTOP對(duì)ERβ表現(xiàn)出更強(qiáng)的結(jié)合活性。為了探究PTOP與ER結(jié)合的分子機(jī)制及其對(duì)ER兩種亞型的選擇性機(jī)制，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)PTOP-ER復(fù)合物進(jìn)行了研究，并利用MM-GBSA方法計(jì)算了結(jié)合自由能。結(jié)果表明，范德華作用是維持PTOP與ER結(jié)合的主要驅(qū)動(dòng)力；而極性相互作用的差異是導(dǎo)致PTOP對(duì)ERα和ERβ產(chǎn)生選擇性結(jié)合的重要因素，PTOP與ERα之間的極性溶劑化作用阻礙了兩者的結(jié)合。將PTOP與ER的天然底物雌二醇進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)PTOP與ER口袋之間缺乏氫鍵穩(wěn)定二者結(jié)合，因此PTOP的結(jié)合活性較低。計(jì)算模擬亦指出了PTOP結(jié)合過(guò)程中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵氨基酸。以上計(jì)算結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步理解PTOP影響ER介導(dǎo)生理過(guò)程的干擾機(jī)制。

雌激素受體α；雌激素受體β；對(duì)特辛基苯酚(PTOP)；分子動(dòng)力學(xué)；MM-GBSA

Received 30 November 2015 accepted 26 January 2016

雌激素受體(estrogen receptor, ER)包含兩種亞型，分別為ERα和ERβ，它們的三維結(jié)構(gòu)較為相似，主要由DNA結(jié)合區(qū)(DNA binding domain, DBD)，鉸鏈區(qū)以及配體結(jié)合區(qū)(ligand binding domain, LBD)等幾部分構(gòu)成。其中DBD主要與DNA結(jié)合并通過(guò)AF-1(Activation Function 1)區(qū)域進(jìn)行DNA的調(diào)控表達(dá)。而LBD則主要與雌激素進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)，這一區(qū)域也是各種環(huán)境污染物的主要靶點(diǎn)。ERα與ERβ的DBD高度保守，氨基酸序列的同源性達(dá)到95%，而它們LBD區(qū)域的氨基酸序列的同源性也達(dá)到了59%[1-5]。不僅如此，兩者LBD部分的三維結(jié)構(gòu)也基本相同，均包含了12個(gè)α螺旋(helix 1-12，簡(jiǎn)稱H1-H12)及2個(gè)β片層(β1、β2)，其中H3、H6、H8、H11、H12及β1、β2組成了配體結(jié)合口袋[6]，如圖1所示。ERα和ERβ結(jié)合口袋區(qū)域非常保守，主要由疏水性殘基組成，但存在微小差異，即ERα中Leu384和Met421在ERβ中分別對(duì)應(yīng)Met336和Ile373[7]。

對(duì)特辛基苯酚(4-tert-octylphenol, PTOP)又名辛基酚，是一種較為常見(jiàn)的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛用于制取油溶性酚醛樹(shù)脂、表面活性劑、染料、殺蟲(chóng)劑等。PTOP因其疏水特性被大量吸附于土壤、懸浮固體和沉積底泥中[8]。在2001年，全世界每年P(guān)TOP的產(chǎn)量大約為50 000 t，其在底泥和水生環(huán)境中含量分別高達(dá)670 μg·kg-1和200 μg·L-1[8-9]，目前PTOP每年的產(chǎn)量在不斷上升；2013年歐盟PTOP每年的產(chǎn)量已高達(dá)23 000 t[10]。

PTOP結(jié)構(gòu)與雌激素具有相似性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；當(dāng)其進(jìn)入人體內(nèi)，會(huì)表現(xiàn)出擬雌激素作用[11]，通過(guò)與ER結(jié)合，誘導(dǎo)ER介導(dǎo)信號(hào)的異常激活和雌激素應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄，干擾正常的雌激素代謝并能進(jìn)一步影響雌激素受體所介導(dǎo)的生理過(guò)程，對(duì)胚胎發(fā)育、性行為和性差異產(chǎn)生不利的影響。目前已有研究表明PTOP會(huì)改變生物體性激素水平，抑制下丘腦-垂體發(fā)育，改變發(fā)情和繁殖周期，并影響新生兒的性發(fā)育，甚至增加致癌基因的表達(dá)[12-16]。

PTOP在烷基酚家族中具有代表性，其與ERα和ERβ的結(jié)合均表現(xiàn)出擬雌激素效應(yīng)[17]，是烷基酚類化合物中雌激素效應(yīng)最強(qiáng)的一類化合物。已有的研究證實(shí)PTOP可以直接與ERα和ERβ進(jìn)行結(jié)合并產(chǎn)生干擾效應(yīng)，其結(jié)合活性的強(qiáng)度比天然雌激素雌二醇(estrodiol, E2)低，大約是E2的1/1000[18]；另有研究結(jié)果表明ERβ對(duì)PTOP表現(xiàn)出較高的親和性[17,19]。PTOP的干擾機(jī)制及其對(duì)ERα和ERβ的選擇機(jī)制目前還不清楚，為了更深入地理解其結(jié)合基礎(chǔ)，并從原子層面解析PTOP選擇性結(jié)合的分子機(jī)制，本研究采用分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics, MD)模擬的方法，分別對(duì)ERα-PTOP、ERβ-PTOP、ERα-E2和ERβ-E2四個(gè)復(fù)合物進(jìn)行了20 ns時(shí)長(zhǎng)的模擬研究，并計(jì)算了各體系的結(jié)合自由能，通過(guò)與E2對(duì)比，探究了PTOP與ER兩種亞型結(jié)合的分子機(jī)制，并闡述了PTOP對(duì)ERβ選擇性結(jié)合的原因。

1 模擬方法(Methods)

1.1 理論模型的建立

本文研究中所構(gòu)建的初始模型中，ERα、ERβ與E2的復(fù)合物結(jié)構(gòu)來(lái)源于Protein Data Bank(PDB ID：1ERE，3OLS)，并利用Sybyl 1.2軟件對(duì)缺失殘基進(jìn)行了修補(bǔ)。同時(shí)以2個(gè)晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用Sybyl 1.2軟件中的surflex模塊對(duì)PTOP進(jìn)行了分子對(duì)接，以打分最高的對(duì)接構(gòu)象為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)分子力學(xué)的優(yōu)化，構(gòu)建了ERα、ERβ與PTOP復(fù)合物結(jié)構(gòu)。對(duì)晶體結(jié)構(gòu)與對(duì)接結(jié)果均進(jìn)行了pKa計(jì)算來(lái)確定氨基酸的質(zhì)子態(tài)，同時(shí)保留了結(jié)晶水。

1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

整個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程都是在AMBER12軟件下進(jìn)行，在模擬過(guò)程中使用了最新的ff12SB分子力場(chǎng)。配體的靜電勢(shì)分布使用了AM1-BCC方法進(jìn)行擬合。在模擬過(guò)程中采用了周期性邊界條件，溶劑模型為TIP3P水模型，從水盒子表面到蛋白質(zhì)復(fù)合物的任意原子之間的距離至少保證在9.0 ?。并向ERα-E2、ERα-PTOP模型添加了相應(yīng)的Na+離子保持整個(gè)體系的電中性。

圖1 ERα-E2 LBD (PDB ID：1ERE)與ERβ-E2 LBD (PDB ID：3OLS)晶體結(jié)構(gòu)圖，藍(lán)色表示蛋白，結(jié)合口袋處黃色部分表示配體雌二醇(E2)Fig. 1 The crystal structure of ERα-E2 (PDB ID: 1ERE) LBD and ERβ-E2 (PDB ID: 3OLS) LBD (blue) with E2 (yellow) in the binding pocket

圖2 對(duì)特辛基苯酚(左)和雌二醇(右)的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of 4-tert-octylphenol (PTOP) (left) and estradiol (E2) (right)

圖3 ERα-E2、ERα-PTOP、ERβ-E2、ERβ-PTOP復(fù)合物體系的主鏈原子隨時(shí)間變化的RMSD曲線Fig. 3 The backbone RMSD curves of ERα-E2, ERα-PTOP, ERβ-E2, and ERβ-PTOP

圖6 E2與ERα和ERβ之間形成的氫鍵，氫鍵以黃色虛線表示Fig. 6 Hydrogen bonds between E2-ERα and E2-ERβ, colored by yellow line

圖4 ERα-PTOP和ERβ-PTOP軌跡的聚類分析(粉紅色表示占有率最高的構(gòu)象，黃色代表初始構(gòu)象)Fig. 4 Cluster analysis of ERα-PTOP and ERβ-PTOP (Pink: the structure of the largest cluster, yellow: initial structure)

在模擬過(guò)程中，首先對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行了1000步的最陡下降法優(yōu)化，之后進(jìn)行了2000步的共軛梯度法來(lái)優(yōu)化。優(yōu)化之后的復(fù)合物結(jié)構(gòu)采用Langevin動(dòng)力學(xué)方法使體系在300 ps內(nèi)由0 K升溫至310 K，碰撞頻率為1 ps-1。之后在正則系綜(NVT)條件下進(jìn)行了500 ps時(shí)長(zhǎng)的MD模擬對(duì)體系進(jìn)行平衡。最后在等溫等壓(NPT)條件下，分別對(duì)4個(gè)復(fù)合物體系進(jìn)行了20 ns的長(zhǎng)程動(dòng)力學(xué)模擬。在模擬中，所有H原子均使用SHAKE算法進(jìn)行約束，步長(zhǎng)設(shè)置為2 fs。采用PME方法計(jì)算長(zhǎng)程靜電相互作用，整個(gè)體系的截?cái)喟霃皆O(shè)為12 ?。氫鍵的判據(jù)設(shè)定為氫鍵供體與受體的距離小于3.5 ?，角度小于60°。

1.3 MM-GBSA計(jì)算

MM-GBSA(molecular mechanics-generalized Born surface area)利用分子力學(xué)結(jié)合連續(xù)溶劑模型分析結(jié)合自由能的方法。結(jié)合自由能的正負(fù)決定了蛋白質(zhì)與配體是否能結(jié)合，其數(shù)值的大小決定了結(jié)合的穩(wěn)定程度。實(shí)驗(yàn)采用AMBER12軟件中的MM-PBSA.py模塊，使用MM-GBSA方法分別對(duì)4種復(fù)合物體系進(jìn)行結(jié)合自由能△G的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)原理如下：

△G= EMM+ GSol-TS

EMM=Eint+Eele+Evdw

GSol=GGB+GSA

其中，EMM、GSol、TS分別代表了氣相的分子力學(xué)成分，溶劑化穩(wěn)定能以及構(gòu)象熵。EMM是內(nèi)能(Eint)、靜電能(Eele)以及范德華相互作用(Evdw)的加和。溶劑化能GSol則可以被分解為靜電溶劑化自由能(GGB)和非極性溶劑化自由能(GSA)；GGB可以由GB方法計(jì)算得到[20]。GSA則與結(jié)合過(guò)程中的溶劑可及表面相關(guān)[21]。MM-GBSA還計(jì)算了每個(gè)殘基對(duì)于結(jié)合的貢獻(xiàn)，即分解能。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 4種復(fù)合物的穩(wěn)定性

本文分別對(duì)ERα-E2、ERβ-E2、ERα-PTOP、ERβ-PTOP復(fù)合物體系進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為20 ns的MD模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了均方根偏差分析(root-mean-square deviation, RMSD)來(lái)表征整體蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如圖3所示，4個(gè)復(fù)合物體系均在5 ns之后基本達(dá)到平衡，同時(shí)其RMSD波動(dòng)基本處于2.5 ?以下，這表明蛋白質(zhì)在結(jié)合了E2或者PTOP之后，并沒(méi)有發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化。但需要指出的是，每個(gè)復(fù)合物的RMSD均有差異，其中，ERα-PTOP的RMSD波動(dòng)較高，說(shuō)明ERα在結(jié)合了PTOP之后，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差；ERβ-PTOP復(fù)合物的RMSD比ERα-PTOP低，表明ERβ在結(jié)合PTOP后結(jié)構(gòu)比ERα穩(wěn)定。ERα和ERβ與E2結(jié)合后，RMSD均相對(duì)平穩(wěn)。通過(guò)對(duì)比ERα-PTOP及ERα-E2，E2顯然比PTOP更能穩(wěn)定蛋白的結(jié)構(gòu)，這也從側(cè)面反映了E2的結(jié)合更好。

為了更明確地表征PTOP結(jié)合后蛋白整體結(jié)構(gòu)的變化，我們對(duì)ERα-PTOP和ERβ-PTOP的復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聚類分析，如圖4所示。我們選取了軌跡中占有率最高的構(gòu)象作為代表性構(gòu)象，將其與初始構(gòu)象進(jìn)行對(duì)比，可以看到，不論ERα或是ERβ均沒(méi)有發(fā)生較大變化，二級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)也基本保持穩(wěn)定。但值得注意的是，在ERα-PTOP復(fù)合物中，PTOP的位置有一定偏移，而ERβ-PTOP中，PTOP基本保持在原位。這也反映出PTOP在ERα中的結(jié)合不如ERβ穩(wěn)定。

2.2 結(jié)合自由能分析

為了減小誤差，在4個(gè)復(fù)合物軌跡中，均選取了最后15～20 ns的最穩(wěn)定軌跡來(lái)進(jìn)行MM-GBSA分析，每個(gè)軌跡均選取了250幀構(gòu)象。由于使用Nmode模塊計(jì)算熵(△S)極為耗時(shí)[22]，因此我們?cè)谧詈? ns軌跡中平均的抽提出25幀構(gòu)象進(jìn)行熵的計(jì)算。除了熵之外，整體的結(jié)合自由能還被進(jìn)一步分為4項(xiàng)：范德華能、靜電力能、極性溶劑化自由能與非極性溶劑化自由能。

表1 復(fù)合物ERα-E2、ERα-PTOP、ERβ-E2、ERβ-PTOP之間的結(jié)合自由能(單位：kcal·mol-1)

Note: ①△Gpol=△Eele+△GGB; ②△Gnonpol=△Evdw+△GSurf; ③△G=△Evdw+△Eele+ △GGB+ △GSurf; ④△△G=△G - T△S

表1列出了ERα-E2、ERβ-E2、ERα-PTOP、ERβ-PTOP的結(jié)合自由能，分別為-27.72 kcal·mol-1、-30.54 kcal·mol-1、-16.74 kcal·mol-1、-17.67 kcal·mol-1?？梢钥吹?，E2與ER的結(jié)合自由能顯著強(qiáng)于PTOP，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相一致的。對(duì)于4個(gè)復(fù)合物體系，非極性相互作用(ΔGnonpol=ΔEvdw+ΔGSA)是結(jié)合自由能的最大來(lái)源，是維持結(jié)合穩(wěn)定性的主要驅(qū)動(dòng)力。而極性相互作用(ΔGpol=ΔEele+ΔGGB)對(duì)于結(jié)合的貢獻(xiàn)較小。通過(guò)對(duì)比可以看到，4個(gè)復(fù)合物的非極性相互作用差別不大；在極性相互作用中，ERα-E2、ERβ-E2兩個(gè)復(fù)合物的極性相互作用是有利于結(jié)合的(其能量分別為-3.47 kcal·mol-1、-5.64 kcal·mol-1)，而ERα-PTOP、ERβ-PTOP兩個(gè)體系的極性相互作用卻是非常不利于結(jié)合的(其能量分別為11.43 kcal·mol-1、3.50 kcal·mol-1)，這也是造成PTOP比E2結(jié)合活性低的主要原因。

相對(duì)于ERα，我們還發(fā)現(xiàn)PTOP與ERβ具有更高的結(jié)合活性，這也符合實(shí)驗(yàn)上PTOP對(duì)ERβ結(jié)合具有選擇性的結(jié)論。通過(guò)將其結(jié)合自由能進(jìn)一步分解，我們可以到看2個(gè)復(fù)合物的極性相互作用與非極性相互作用均有差異。PTOP與ERα的非極性相互作用更強(qiáng)，進(jìn)一步的分析表明PTOP與ERα的范德華作用更強(qiáng)，這表明ERα的疏水環(huán)境更好。但極性相互作用則完全相反，PTOP與ERβ的極性相互作用較弱(3.50 kcal·mol-1)；而PTOP與ERα的極性相互作用則高達(dá)11.43 kcal·mol-1，對(duì)結(jié)合極為不利。進(jìn)一步的分解表明這種不利的極性相互作用主要來(lái)源于極性溶劑化自由能。通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)極性相互作用的差異使得PTOP與ERβ的結(jié)合活性更高，這種差異是導(dǎo)致PTOP在ERα與ERβ之間對(duì)ERβ進(jìn)行選擇性結(jié)合的主要原因。

圖5 單個(gè)氨基酸殘基的結(jié)合自由能Fig. 5 Binding free energy of individual amino acid residue

表2 主要?dú)埢臍滏I情況(占有率20%以上)

2.3 關(guān)鍵氨基酸殘基

我們將結(jié)合自由能分解到每個(gè)氨基酸殘基之上，以此來(lái)確定在結(jié)合過(guò)程中的關(guān)鍵殘基。圖5分別列出了ERα-E2、ERα-PTOP、ERβ-E2、ERβ-PTOP的重要氨基酸殘基(對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)均大于-1.00 kcal·mol-1)。其中，ERα的Leu346(ERβ中的相應(yīng)殘基編號(hào)為L(zhǎng)eu298)、Ala350 (302)、Leu387 (339)、Leu391 (343)、Phe404 (356)在4個(gè)復(fù)合物的結(jié)合過(guò)程中都具有顯著貢獻(xiàn)，說(shuō)明這5個(gè)氨基酸對(duì)于結(jié)合活性較弱的化合物的識(shí)別與結(jié)合具有關(guān)鍵作用。

除此之外，還應(yīng)該注意到ERα-E2、ERβ-E2、ERα-PTOP、ERβ-PTOP的重要氨基酸數(shù)目分別為11、10、8、7個(gè)，E2顯然與ER中更多的氨基酸有顯著相互作用，這表明E2與ER的結(jié)合口袋更兼容，結(jié)合的更加緊密。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在ERα-E2的11個(gè)重要?dú)埢校?個(gè)殘基的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于非極性相互作用，2個(gè)殘基的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于極性相互作用，即Glu353(-6.22 kcal·mol-1)與His524(-2.96 kcal·mol-1)；對(duì)于ERβ-E2復(fù)合物，9個(gè)殘基的貢獻(xiàn)來(lái)源于非極性相互作用，僅Glu305(-9.09 kcal·mol-1)的自由能貢獻(xiàn)主要來(lái)源于極性相互作用。而對(duì)于ERα-PTOP及ERβ-PTOP復(fù)合物，所有重要?dú)埢淖杂赡茇暙I(xiàn)均主要來(lái)源于非極性相互作用。通過(guò)以上結(jié)果，首先可以確定PTOP及E2的結(jié)合能均主要來(lái)源于疏水性殘基的非極性相互作用；其次，相對(duì)于E2，PTOP缺乏與極性氨基酸的分子間相互作用。

2.4 分子間相互作用

我們進(jìn)一步分析了E2和PTOP分別與ERα和ERβ之間的氫鍵。在圖6中，ERα與E2結(jié)合后，E2的3-OH基團(tuán)與ERα中Glu353、Arg394生成2個(gè)氫鍵，而E2的17-OH基團(tuán)與位于H11的His524形成了一個(gè)氫鍵，但此氫鍵角度較大，結(jié)合較為不穩(wěn)定；ERβ-E2中，E2的3-OH基團(tuán)與Glu305形成了穩(wěn)定的氫鍵，而其17-OH端則與His475形成氫鍵，但該氫鍵同樣角度偏大，并不穩(wěn)定。這些結(jié)果與之前研究所表明的ERα-E2和ERβ-E2分子間相互作用的結(jié)果相一致[6,23]。通過(guò)分解能的計(jì)算，可知Glu353 (ERα)與Glu305 (ERβ)的靜電能非常顯著，分別為-6.22 kcal·mol-1及-9.09 kcal·mol-1；表2表示ERα-E2和ERβ-E2兩體系中主要?dú)埢臍滏I生成情況，其中ERα的His524以及ERβ中的His475所形成的氫鍵占有率很低，在模擬過(guò)程中不穩(wěn)定容易斷裂，因此在表2中沒(méi)有統(tǒng)計(jì)，而Glu353與Arg394則與E2形成了較為穩(wěn)定的氫鍵；ERβ的Glu305的OE1原子與E2形成了穩(wěn)定的氫鍵，占有率達(dá)到74.9%；這反映出氫鍵對(duì)于穩(wěn)定化合物與ER的結(jié)合是極為重要的。從表2中可以看出，而對(duì)于ERα-PTOP和ERβ-PTOP兩個(gè)復(fù)合物，PTOP并沒(méi)有與ER形成穩(wěn)定的氫鍵，這導(dǎo)致了PTOP分子在ER的結(jié)合口袋中缺乏直接的穩(wěn)定因素，也是造成PTOP與ER結(jié)合活性較低的主要原因。

綜上可知，通過(guò)對(duì)ERα-E2、ERβ-E2、ERα-PTOP、ERβ-PTOP四個(gè)復(fù)合物的MD模擬并結(jié)合MM-GBSA計(jì)算，我們研究了PTOP與ER結(jié)合的分子機(jī)制及其對(duì)ERβ具有選擇性的原因。計(jì)算結(jié)果表明，非極性相互作用是維持PTOP與ER結(jié)合的主要驅(qū)動(dòng)力，而PTOP與ER之間缺乏氫鍵，這導(dǎo)致極性相互作用是不利于結(jié)合的，也是PTOP結(jié)合活性遠(yuǎn)低于E2的主要原因。而PTOP與ERα及ERβ極性相互作用尤其是極性溶劑化自由能的差異，是導(dǎo)致該分子對(duì)ERβ選擇性結(jié)合的主要原因。分解能的結(jié)果還進(jìn)一步錨定了結(jié)合過(guò)程中的重要氨基酸殘基。以上結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步理解PTOP對(duì)ER介導(dǎo)生理過(guò)程的干擾機(jī)制。

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Structural Basis and Molecular Mechanism for Selective Binding of 4-Tert-octylphenol to Estrogen Receptor

Zhu Jinghan, Xue Qiao, Zhang Aiqian*

State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

4-tert-octylphenol (PTOP) is a typical endocrine disrupting chemical, which can interfere with the transcriptional regulation of estrogen receptor (ER) via direct binding to its both subtypes. The structural basis for the fact that binding affinity of ERβ with PTOP is higher than that of ERα is still unclear. To investigate the ER binding mechanism and the subtype selectivity of PTOP, molecular dynamics combined with MM-GBSA was used to perform computational simulations for the PTOP-ER complex. The results indicated that the van der Waals interaction is the major driving force for the ER binding of PTOP, while the polar interaction, especially polar solvation, dominates the PTOP subtype selectivity. The more intensive the polar interaction becomes, the less stable the PTOP-ER complexes are. In addition, low ER affinity of PTOP, in comparison with estradiol, may be attributed to less hydrogen bonds formed in the PTOP-ER complex. Moreover, the key residues which play important roles in the binding process were revealed. This work provides further understanding of how PTOP induce the ER-mediated endocrine disrupting effect in a ligand-depent manner.

estrogen receptor α; estrogen receptor β; 4-tert-octylphenol (PTOP); molecular dynamics simulation; MM-GBSA

10.7524/AJE.1673-5897.20151130020

國(guó)家自然科學(xué)基金(21507152, 21277164)；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)課題(XDB14030500)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA065201)

朱婧涵(1992-)，女，研究生，研究方向?yàn)槔碚摥h(huán)境化學(xué)，E-mail: nanaqq7@hotmail.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: aqzhang@rcees.ac.cn

2015-11-30 錄用日期：2016-01-26

1673-5897(2016)2-194-07

X171.5

A

簡(jiǎn)介：張愛(ài)茜(1972-)，女，博士，研究員，主要研究方向理論環(huán)境化學(xué)。

朱婧涵, 薛嶠, 張愛(ài)茜. 對(duì)特辛基苯酚干擾雌激素受體作用的分子基礎(chǔ)及其對(duì)ERβ亞型選擇性結(jié)合的理論研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(2): 194-200

Zhu J H, Xue Q, Zhang A Q. Structural basis and molecular mechanism for selective binding of 4-tert-octylphenol to estrogen receptor [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 194-200 (in Chinese)