Elucidating Key Characteristics of PFAS Binding to Human Peroxisome Proliferator-Activated Receptor Alpha: An Explainable Machine Learning Approach

可解释性 过氧化物酶体增殖物激活受体 机器学习 过氧化物酶体 计算生物学 过氧化物酶体增殖物激活受体α 化学 分子描述符 受体 人工智能 核受体 计算机科学 生物化学 生物 数量结构-活动关系 转录因子 基因
作者
Kazuhiro Maeda,Masashi Hirano,Taka Hayashi,Midori Iida,Hiroyuki Kurata,Hiroshi Ishibashi
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (1): 488-497 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06561
摘要

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are widely employed anthropogenic fluorinated chemicals known to disrupt hepatic lipid metabolism by binding to human peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα). Therefore, screening for PFAS that bind to PPARα is of critical importance. Machine learning approaches are promising techniques for rapid screening of PFAS. However, traditional machine learning approaches lack interpretability, posing challenges in investigating the relationship between molecular descriptors and PPARα binding. In this study, we aimed to develop a novel, explainable machine learning approach to rapidly screen for PFAS that bind to PPARα. We calculated the PPARα-PFAS binding score and 206 molecular descriptors for PFAS. Through systematic and objective selection of important molecular descriptors, we developed a machine learning model with good predictive performance using only three descriptors. The molecular size (b_single) and electrostatic properties (BCUT_PEOE_3 and PEOE_VSA_PPOS) are important for PPARα-PFAS binding. Alternative PFAS are considered safer than their legacy predecessors. However, we found that alternative PFAS with many carbon atoms and ether groups exhibited a higher affinity for PPARα. Therefore, confirming the toxicity of these alternative PFAS compounds with such characteristics through biological experiments is important.
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