蓝藻水华衍生污染物对小鼠毒理学作用与分子致毒机制研究

发布时间：2020-04-11 09:10

【摘要】：湖泊蓝藻水华暴发是一种生态灾害,对人类和动物具有潜在的健康风险。蓝藻暴发过程中会产生大量有毒衍生污染物,微囊藻毒素(MC)是其中一类。在环境中MC-LR (L和R分别代表亮氨酸和精氨酸)具有较强的稳定性和水溶性,并具有量大、分布广和毒性强的特点,虽然对其毒理学特征开展了大量研究,但其确切的分子致毒机制还有待进一步研究。每年太湖在温暖季节都大规模暴发蓝藻,太湖区域的流行病学调查和相关研究表明,当地的癌症高发率与饮用被蓝藻水华污染的饮用水之间有一定相关关系。因此需要深入研究太湖蓝藻水华衍生物的毒性效应及其致毒机制和健康风险。蓝藻水华暴发伴随着高浓度的氨氮(NH4+-N) . NH4+-N对水生生物也具有较高的毒性,但很少有关于对哺乳动物毒性作用及其机制的相关研究的报道。内质网应激(ERS)是新发现的调节细胞凋亡的信号通路,也与许多代谢性疾病的发病密切相关。本研究以小鼠为受试生物,研究MC-LR及其太湖藻华水样暴露对小鼠肝、肾细胞凋亡及其介导其凋亡的内质网应激机制,以及太湖藻华水样暴露对肝脏脂代谢相关的内质网应激机制和脂代谢相关基因表达的影响,并探索MC-LR和NH4+-N暴露引发Ⅱ型糖尿病(T2DM)的风险及其机制。主要研究结果和结论以下:1. MC-LR毒性具有器官特异性,相比较于肾脏,小鼠肝脏对MC-LR具有更高的敏感性。20μg/kg/dMC-LR暴露21d能够引起小鼠肝细胞凋亡,但对肾细胞毒性不明显,内质网应激信号通路参与了 MC-LR致小鼠肝细胞的凋亡过程,而通过内质网应激,小鼠肾脏对20 μg/kg/dMC-LR暴露具有抗凋亡作用。2.内质网应激过程中的转录因子C/EBP同源蛋白(CHOP)和半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-12 (caspase-12)信号分子在MC-LR引起的细胞凋亡过程中起着重要作用,也是其致毒的主要靶点,因此,可作为生物标志物来评价微囊藻毒素的毒性。3.来自于太湖不同湖区的水样对小鼠的暴露试验结果表明太湖梅梁湾藻华水样主要通过内质网应激介导的凋亡通路引起了小鼠肝细胞的凋亡,但没有观察到有肾细胞的凋亡,只引发了肾脏内质网应激信号通路相关分子GRP78、CHOP、caspase-12和Bcl-2 mRNA和/或蛋白表达的上调,且通过内质网应激,小鼠肾脏对藻华水样具有一定的抗细胞凋亡作用。4.太湖梅梁湾藻华水样暴露引起小鼠肝脏脂肪的累积,导致小鼠腹部肥胖,并引起小鼠肝脏脂代谢紊乱,内质网应激的固醇调节级联反应信号通路在其介导的肝脏脂代谢紊乱过程起重要作用。同时,太湖藻华水样暴露还引起与脂代谢相关基因mRNA表达的变化,如梅梁湾水样暴露显著上调脂代谢相关基因脂蛋白脂酶(LPL)和胰岛素诱导基因2 (Insig2)的mRNA表达水平;下调磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)的mRNA表达水平。太湖湖心区藻华水样也显著上调葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基(G6pc)、LPL和Insig2以及过氧化物酶体增殖物受体-γ(PPAR-γ)的mRNA表达。因此,藻华水样暴露的致毒过程是通过影响与脂代谢紧密相关的基因表达而引发脂代谢紊乱。5.太湖藻华水样暴露引起小鼠肝脏炎症细胞因子肿瘤坏死因子α (TNF-α)和炎症相关基因Toll样受体-2 (TLR-2)和TLR-4的mRNA表达的上调,同时试验也发现梅梁湾藻华水样喂养的小鼠有腹部肥胖特征,肝脏组织形态学分析也显示有炎性细胞浸润,由于脂代谢紊乱与炎症紧密相关,因此,炎症反应在太湖藻华水样暴露引起的肝脏脂代谢紊乱中起着重要作用,藻华水样暴露也可能是脂代谢紊乱相关的疾病如T2DM等的致病原因之一。6. MC-LR和NH4+-N暴露影响小鼠脂代谢,引发高胰岛素血症,而且NH4+-N还引发高血糖症,MC-LR和NH4+-N改变了血清中甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)以及高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)含量。初步表明MC-LR和NH4+-N暴露增加了罹患T2DM的风险。7. MC-LR和NH4+-N暴露不仅下调小鼠胰岛素受体底物(IRS-1)、IRS-2和蛋白激酶B (PKB/Akt) mRNA表达水平,而且下调磷酸肌醇3-激酶(PI3K)、p-IRS-1和p-IRS-2蛋白表达水平。MC-LR和NH4+-N的暴露同时还上调PI3K下游靶蛋白p-Akt的表达水平,因此,MC-LR和NH4+-N暴露损害了胰岛素受体信号途径,胰岛素受体信号途径是藻华衍生污染物MC-LR和NH4+-N引起T2DM健康风险的主要分子机制之一。8. MC-LR和NH4+-N暴露引起ERS,包括显著改变ERS信号分子mRNA和蛋白的表达,如上调活化转录因子6 (ATF6)、真核翻译起始因子2α(eIF2α)和双链RNA激活的蛋白激酶样内质网真核翻译起始因子2α激酶(PERK)mRNA和蛋白表达水平。另外,MC-LR和NH4+-N改变ERS下游靶基因mRNA和蛋白表达,如MC-LR下调固醇调节原件结合蛋白-1c(SREBP-1c) mRNA与蛋白表达,上调乙酰辅酶A羧化酶a (4CACA)、脂肪酸合成酶(FASn)和糖原合酶激酶-3β (GSK-3β)mRNA与蛋白表达;NH4+-N则上调SREBP-1c,ACACA,FASn和Gsk-3βmRNA与蛋白表达。因此,ERS也是藻华衍生污染物MC-LR和NH4+-N引起T2DM健康风险的主要分子生物学机制之一。
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ＭＣ是一类由７个氨基酸组成的环状７肽化合物（Ｆａｓｔｎｅｒｅｔａｌ．，２００２），一般结构逡逑为环（Ｄ－丙氨酸－Ｌ－Ｘ－赤－甲基－Ｄ－异天冬酸－Ｌ－Ｚ－Ａｄｄａ－Ｄ－异谷氨酸－Ｎ－甲基脱氢丙逡逑氨酸）（图１．１）（韩志国等，，２００１），其中，Ａｄｄａ为一种特殊的氨基酸，结构逡逑是３－氨基－９－甲氧基－２，邋６，８－三甲基－１０－苯基－４，邋６－二烯酸，Ｘ，Ｚ为两种在２、４位逡逑上可变的Ｌ型氨基酸，由于Ｘ、Ｚ的不同可产生多种ＭＣ异构体。目前，已发现的逡逑ＭＣ异构体有８０多种（Ｍｅｒｉｌｕｏｔｏ邋ａｎｄ邋Ｓｐｏｏｆ，邋２００８），其中ＭＣ－ＬＲ、ＭＣ－ＲＲ和ＭＣ－ＹＲ逡逑１逡逑

低内质网负荷，这种调节内质网应激的细胞内反应被称为内质网应激反应（ＥＲＳ逡逑ｒｅｓｐｏｎｓｅ），又称未折叠蛋白反应（ＵＰＲ）邋（Ａｒａｋｉｅｔａｌ．，邋２００３；邋Ｍｏｒｉ，邋２０００），逡逑其作用过程如图１．３所示。ＵＰＲ主要调控内质网应激状态下细胞内的转录和翻译逡逑过程，通过提高内质网内蛋白质折叠能力，阻止未折叠或错误折叠蛋白质进一步逡逑聚集，去除聚集的错误折叠蛋白质等措施减轻内质网负荷（Ｒｏｎ邋ａｎｄ邋Ｗａｌｔｅｒ，２００７；逡逑Ｓｃｈｒｏｄｅｒ邋ａｎｄ邋Ｋａｕｆｍａｎ，邋２００５），其主要表现为ＵＰＲ信号传导通路的变化。逡逑＾１逦错误或未折叠￥白质逦Ｉ逡逑ｉ逡逑ｍｈ邋＾／ｋ邋ａＪ逦逡逑画ＡＴＦ６邋屋邋＾邋（ｖＷ）逡逑应激效应进展过程逦－ＴＯＡＰ２逡逑逦邋Ｉ逦（至高尔基体）逦［—１ＲＡＵ逡逑⑴蛋白质被ＳｉＰ／ｓ／酶切逦Ｔ逦Ｔ逡逑逦逦１＿逦”逦ＡＳＫ１邋Ｃａｓｐａｓｅ邋１２逡逑Ｕ邋—＾邋Ｉ逡逑逦ｐ－Ｉ逦邋Ｎｋ逦ＪＫＫ邋Ｃａ＊ｐａａｅ９逡逑逦逦ＡＴＦ４邋＼逦＼邋Ｃａｓｐａｒ邋３逡逑（３）内质网相关逦男切卿”逦＼逦／逡逑蛋白降解逦＾逦＾逡逑￣逦ＸＢＰ１邋—逦逡逑逦１逦邋ｒＪＬ逦（活愾s沐义息鹊蛲鲥危悖蓿鹭�咱逡逑图１．３未折叠蛋白反应（ＡｒａｋｉｅｔａＬ，邋２００３）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｕｎｆｏｌｄｅｄ邋ｐｒｏｔｅｉｎ邋ｒｅａ�

本文编号：2623414