多维度分析揭示T-2毒素引发肝纤维化的机制：整合网络毒理学、机器学习、实验验证和分子对接技术

《Chemico-Biological Interactions》：Multi-dimensional analysis revealing the mechanism of T-2 toxin driving liver fibrosis: integration of network toxicology, machine learning, experimental verification, and molecular docking

　　

乔丽春|史少腾|王良佳|穆罕默德·阿夫塔布·沙菲克|唐静|李苗倩|万萍|周静轩|戴旭蕾|韩静|郭一杰

西安交通大学第一附属医院精神病学系，中国西安710061

摘要

背景

T-2毒素是一种高毒性的霉菌毒素，常见于食品和环境中，越来越多的证据表明它具有肝毒性。然而，将T-2毒素暴露与肝纤维化联系起来的分子机制尚未得到充分研究。

方法

本研究采用网络毒理学、转录组分析和机器学习算法相结合的综合性策略，以识别与T-2毒素相关的肝纤维化关键分子靶点。进一步通过大鼠模型进行实验验证，包括组织病理学分析、基因表达谱分析以及PI3K/Akt信号通路的评估。同时进行了分子对接实验，以评估T-2毒素与代表性靶蛋白之间的潜在相互作用。

结果

网络毒理学分析确定了352个与T-2毒素相关的肝纤维化潜在靶点，这些靶点在PI3K/Akt和MAPK信号通路中显著富集。结合转录组数据，通过机器学习筛选出四个关键核心靶点：CDH1、CYP2D6、NR0B2和GAS6，这些靶点具有较高的诊断性能。体内实验显示，T-2毒素暴露可诱导肝脏胶原沉积和α-SMA上调，并伴随PI3K/Akt信号通路抑制。分子对接结果表明T-2毒素与核心靶蛋白之间具有较好的结合亲和力。

结论

总体而言，本研究描绘了T-2毒素诱导的肝纤维化的多靶点分子特征，强调了核心基因的作用以及PI3K/Akt信号通路的变化。

引言

霉菌毒素是普遍存在的环境污染物，由青霉菌、镰刀菌和曲霉菌等丝状真菌产生[1]。多种真菌会产生三萜烯类霉菌毒素，其中T-2毒素的毒性和致死性最强。T-2毒素常见的食物来源包括小麦、大麦、黑麦、燕麦和玉米[2]。T-2毒素耐受常规加工温度和紫外线照射，因此在食品生产和高压灭菌过程中难以被灭活，从而在食品和环境中持续存在。T-2毒素是一种高度亲脂的化合物，可通过皮肤、肠道和肺部黏膜从饮食和环境途径被人体吸收[3]。鉴于其在农产品和食物链中的广泛存在，以及其在加工过程中的抗性，T-2毒素是一种重要的环境毒素，对健康构成重大风险。已知它可损害多个器官系统，包括大脑、造血系统、心脏、淋巴系统、肝脏、肾脏、胃肠道组织和生殖器官[4]。

肝纤维化是一种病理状态，其特征是在慢性肝损伤后肝组织中细胞外基质（ECM）蛋白（尤其是纤维状胶原）的异常积聚[5]。导致肝损伤的风险因素包括病毒性肝炎、遗传疾病、酒精滥用、药物、胆汁淤积、非酒精性脂肪肝病和非酒精性脂肪性肝炎、感染以及环境毒素（如T-2毒素）[6]。慢性肝损伤会激活肝星形细胞（HSCs），这些细胞会分化为增殖性肌成纤维细胞，表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和I型胶原，从而导致纤维化[7]。基质金属蛋白酶（MMPs）与其组织抑制剂之间的平衡被打破。组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）的表达上调，抑制了基质金属蛋白酶的活性，导致基质蛋白在细胞外空间的积聚[8]。此外，炎症细胞通过释放促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β和IL-6）进一步激活肝星形细胞，促进ECM的沉积[9,10]。

T-2毒素对多个器官造成严重损害，尤其是肝脏——其主要靶点和关键解毒器官。它通过引起氧化应激、DNA甲基化、线粒体损伤、自噬和细胞凋亡来影响肝脏[11]。T-2毒素暴露模型中血清天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶水平升高，表明T-2毒素具有肝毒性[12]。T-2毒素还通过诱导炎症细胞因子（如IL-6、IL-1β和TNF-α）引起肝脏毒性[13]。重要的是，这种促炎反应不仅限于肝脏，还影响多个关键屏障器官。T-2毒素还会引起内质网应激，并激活IRE1/XBP1通路，这可能促进与纤维化相关的炎症组织损伤[14]。尽管T-2毒素通过多种机制引起肝毒性，但其通过磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）等多靶点途径在肝纤维化中的作用仍需进一步研究。由于T-2毒素诱导的肝纤维化涉及复杂的分子事件，传统的单靶点方法可能无法充分反映其潜在机制。因此，本研究结合网络毒理学、转录组分析和机器学习算法（包括最小绝对收缩选择算法（LASSO）回归和支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE）来探索毒素相关的分子相互作用，并识别与肝纤维化相关的潜在核心基因。本研究使用T-2毒素暴露的大鼠模型来评估肝脏的组织病理学变化和与纤维化相关的PI3K/Akt信号通路变化。

章节摘录

T-2毒素靶点的鉴定

T-2毒素的标准结构和SMILES符号来自PubChem数据库。根据上述信息，从CHEMBL、STITCH、Swiss和比较毒理学数据库（CTD）数据库中检索了T-2毒素的潜在靶点，并将搜索范围缩小到人类。随后，我们整合并去除了重复的靶点，并合并了CHEMBL编号和STITCH代码以验证靶点。为了标准化靶点命名，我们对获得的

T-2毒素诱导的肝纤维化靶点的鉴定

基于CTD、CHEMBL、STITCH和Swiss数据库，我们在去除重复靶点后获得了2699个与T-2毒素相关的靶点（图1A）。我们从GeneCards中选择了1492个靶点（相关性得分大于1），从OMIM中选择了196个靶点，从TTD数据库中选择了4个靶点，最终在去除重复靶点后得到1673个靶点（图1B）。通过这两组数据的交集，我们得到了352个共同靶点，这些靶点成为潜在的候选者

讨论

我们采用网络毒理学、机器学习、实验验证和分子对接相结合的综合性方法，探讨了T-2毒素促进肝纤维化的潜在分子机制。首先，通过多数据库筛选和转录组数据分析，并结合LASSO和SVM等机器学习算法，成功识别出四个可能与T-2毒素相关的肝纤维化改变相关的候选核心基因

结论

总之，本研究结合生物信息学分析和体内实验验证，探讨了T-2毒素诱导的肝纤维化的分子基础。通过基于机器学习的筛选，我们确定了四个与T-2毒素暴露相关的核心基因。组织病理学和分子分析表明，慢性T-2毒素暴露可诱导肝纤维化，并伴有纤维化相关基因的失调和PI3K/Akt信号通路的抑制。

知情同意声明

不适用。

机构审查委员会声明

该动物研究方案已获得西安交通大学医学动物研究伦理委员会的批准。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号81872567和82571711）的资助。

CRediT作者贡献声明

乔丽春：可视化、撰写——初稿。史少腾：撰写——初稿。王良佳：方法学。穆罕默德·阿夫塔布·沙菲克：撰写——初稿。唐静：可视化。李苗倩：数据管理。万萍：数据管理。周静轩：撰写——审稿与编辑。戴旭蕾：方法学。韩静：概念构思、资金获取。郭一杰：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢HOME for Researchers（https://www.home-for-researchers. com/）在英语写作方面提供的帮助。