Novel toxicity-associated metabolic pathways of benzotriazole UV stabilizers by cytochrome P450: mechanism-directed analysis

化学 代谢途径 代谢物 细胞色素P450 苯并三唑 CYP3A4型 代谢组学 生物化学 代谢中间体 加合物 环氧化物 体外毒理学 DNA损伤 体外 生物途径 新陈代谢 氧化磷酸化 遗传毒性 立体化学 酶 细胞色素 二聚体 生物信息学 反应中间体 生物累积 DNA CYP2B6型
作者
Shiyang Cheng,Lijing Su,Han Ye,Lingmin Jin,Juchen Ma,Chuiyuan Kong,Shubin Zhang,Jiawei Huang,Chunsheng Liu,Piotr Paneth,Li Ji
出处
期刊:Environment International [Elsevier BV]
卷期号:205: 109887-109887 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.envint.2025.109887
摘要

Benzotriazole UV stabilizers (BZT-UVs) are emerging pollutants with environmental persistence and bioaccumulative risks, yet their metabolic pathways and associated toxicity remain poorly understood. We demonstrate that human cytochrome P450 metabolizes five structurally-diverse BZT-UVs (UV-P, UV-PS, UV-328, BZT, UV-329) into bioactive products: 1H-benzotriazole (persistent), o-benzoquinones and epoxides (reactive), and anti-estrogenic C–C dimers (toxic). These cryptic metabolic pathways were systematically uncovered using a mechanism-directed analysis (MDA) strategy. This hypothesis-driven approach prioritizes the elucidation of reaction mechanisms to predict and subsequently target novel metabolites by integrating density functional theory (DFT) predictions, in vitro assays in human liver microsomes, and mass spectrometry technologies. DFT predicted 24 novel metabolites via distinct pathways: Type-I ipso -decomposition (yielding o-benzoquinones and 1H-benzotriazoles/anions), Type-II ipso -decomposition (yielding hydroquinones and carbocations), homo-coupling (yielding C–C dimers), and C=C epoxidation (yielding epoxides). In vitro assays confirmed 18 metabolites of human P450 across all predicted categories. Critically, a C–C dimer (UV-P-C ortho –C′ ortho -UV-P), also detected in mice, exhibited potent anti-estrogenic activity (71.2 % inhibition at 1 μM), which was ∼ 60-fold more potent than the parent UV-P. Furthermore, the BZT epoxide formed DNA adducts in trapping assays, indicating a potential genotoxic mechanism. By anchoring computational models to physicochemical parameters (pKa, singly occupied molecular orbital, hydride ion affinity), this physical organic chemistry framework translates experimental and computational data into mechanistically interpretable metabolic networks. Therefore, our work underscores the necessity of incorporating metabolite profiles into risk assessments of BZT-UVs, and advocates MDA as a broadly applicable strategy to uncover toxicologically relevant metabolic pathways of emerging pollutants.
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