2023-05-09
Environmental Science& Technology
——影響因子：11.357——
繼五一節(jié)前給大家推薦Environmental Science & Technology雜志發(fā)表的多組學(xué)助力新污染物二甲雙胍在生物降解方面取得新進(jìn)展文獻(xiàn)之后，本次繼續(xù)給大家推薦中國科學(xué)院水生生物研究所在Environmental Science & Technology期刊發(fā)表的一篇題為《Multi- and Transgenerational Developmental Impairments Are Induced by Decabromodiphenyl Ethane (DBDPE) in Zebrafish Larvae》的文章，該文章用轉(zhuǎn)錄組+全基因組甲基化研究方法介紹了DBDPE誘導(dǎo)斑馬魚發(fā)育障礙的分子機(jī)理。
研究概述 新型溴化阻燃劑十溴二苯乙烷(DBDPE)已成為一種普遍存在的新興污染物。因此，了解其長期毒性作用和潛在機(jī)制對(duì)進(jìn)一步的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。在本研究中，研究了斑馬魚在環(huán)境相關(guān)濃度下的多代和跨代暴露。未暴露的F2幼蟲畸形率顯著升高，存活率顯著下降，提示DBDPE具有跨代發(fā)育毒性。轉(zhuǎn)錄組和DNA全基因組甲基化揭示的變化譜證實(shí)了F2幼蟲的易感性增加，并發(fā)現(xiàn)了糖脂代謝、線粒體能量代謝和神經(jīng)發(fā)育的潛在破壞。ATP生成等生化指標(biāo)的變化證實(shí)了能量代謝的紊亂，而神經(jīng)遞質(zhì)含量和光-暗刺激行為的改變?yōu)榘唏R魚的多代和跨代神經(jīng)毒性提供了進(jìn)一步的證據(jù)。
技術(shù)手段 轉(zhuǎn)錄組、全基因組甲基化（WGBS）、UPLC-MS/MS
技術(shù)路線
研究結(jié)果 1.DBDPE引起斑馬魚幼魚的多代和跨代損傷 祖先接觸 DBDPE 后 F2 幼蟲的畸形 考慮到甲狀腺激素在心血管功能中起著基礎(chǔ)作用，心率的增加可能與胚胎暴露于DBDPE誘導(dǎo)的斑馬魚幼蟲甲狀腺功能紊亂有關(guān)。盡管DBDPE的轉(zhuǎn)移有限，但在F1和F2幼蟲中觀察到了更多的不良影響。當(dāng)親本DBDPE暴露于10 nM時(shí)，F(xiàn)1幼魚體重明顯下降，心率明顯增加，這可能與F0斑馬魚從胚胎到性成熟和F0種系長期直接暴露有關(guān)，最終產(chǎn)生F1代。10 nM組降低了F2幼蟲的心率，1和10 nM組顯著增加了F2幼蟲的體重。此外，1 nM組和10 nM組畸形率明顯升高，存活率明顯下降。心包水腫、卵黃囊水腫、脊柱彎曲、尾巴彎曲和無眼是F2幼蟲的主要畸形。這些結(jié)果表明，F(xiàn)2幼蟲比F0和F1幼蟲有更大的發(fā)育障礙風(fēng)險(xiǎn)。 2.DBDPE誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄組和甲基化的多代和跨代變化。 全基因組甲基化生物信息學(xué)分析 DNA甲基化調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，是跨代研究中最受關(guān)注的表觀遺傳現(xiàn)象。因此，我們通過轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基組來揭示F0、F1和F2幼蟲的反應(yīng)譜，并探索DBDPE暴露后跨代發(fā)育毒性的潛在機(jī)制。 轉(zhuǎn)錄組生物信息學(xué)分析 F0幼蟲共觀察到65個(gè)轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)基因(DEG)和454個(gè)DNA差異甲基化區(qū)(DMRs)，而F1和F2幼蟲的DMRs和DEGs數(shù)量均顯著增加了數(shù)倍。熱圖顯示了DEG和DMRs的總體分布和聚類。維恩圖顯示了不同世代的共同或獨(dú)特基因。轉(zhuǎn)錄組結(jié)果的GO富集顯示，F(xiàn)0和F1幼蟲沒有顯著變化，但F2幼蟲有了顯著變化。 總的來說，這些觀察結(jié)果表明，與F0幼蟲相比，F(xiàn)2幼蟲在轉(zhuǎn)錄和DNA甲基化水平上的反應(yīng)更強(qiáng)烈，從而為F2幼蟲在生命周期暴露于DBDPE后的跨代發(fā)育毒性和易感性增加提供了證據(jù)。 3.利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測潛在的生物標(biāo)志物 隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)生信分析 基于轉(zhuǎn)錄組和甲基化數(shù)據(jù)，確定候選分子生物標(biāo)志物將有助于進(jìn)一步了解DBDPE的毒性機(jī)制，以及評(píng)估和預(yù)測DBDPE暴露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建立了隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)模型。 結(jié)果表明，很多候選物通常對(duì)DBDPE暴露高度敏感，并且可能預(yù)測相關(guān)信號(hào)通路的后續(xù)反應(yīng)。例如，eno4和taco1的轉(zhuǎn)錄在所有三代斑馬魚幼蟲中都發(fā)生了顯著變化，其中F0幼蟲的糖脂代謝、氧化磷酸化和TCA循環(huán)幾乎沒有變化。它們的變化可能預(yù)示著線粒體內(nèi)外的早期反應(yīng)。 4.DBDPE誘導(dǎo)多代和跨代糖脂和能量代謝紊亂 DBDPE對(duì)不同生化指標(biāo)相對(duì)豐度的影響 本研究中葡萄糖、TG的變化表明DBDPE暴露后斑馬魚幼體糖脂的利用異常。ATP和SDH異常顯示斑馬魚幼蟲的線粒體有可能被破壞。GSH和GSH-px的改變表明斑馬魚幼體存在潛在的氧化應(yīng)激，也指出了DBDPE暴露時(shí)除了線粒體破壞之外的其他機(jī)制。 5.DBDPE誘導(dǎo)的多代和跨代發(fā)育障礙 神經(jīng)遞質(zhì)和生理數(shù)據(jù)檢測 來自轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組的證據(jù)還揭示了斑馬魚幼體神經(jīng)傳遞和光轉(zhuǎn)導(dǎo)的變化概況。因此，神經(jīng)遞質(zhì)的含量以及光暗刺激的運(yùn)動(dòng)行為被用作端點(diǎn)來檢查潛在的神經(jīng)發(fā)育毒性。神經(jīng)遞質(zhì)的改變可能導(dǎo)致興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(Glu)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(GABA)的失衡，進(jìn)而引起行為調(diào)節(jié)障礙，興奮性神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達(dá)上調(diào)可能是F1幼蟲過度活躍的主要原因。 值得注意的是，神經(jīng)遞質(zhì)水平和運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的變化曲線(F0和F1幼蟲升高，F(xiàn)2幼蟲降低)一致，F(xiàn)0和F1幼蟲的心率也表現(xiàn)為升高，F(xiàn)2幼蟲的心率降低。這表明，F(xiàn)0和F1幼蟲對(duì)祖先DBDPE暴露有多代興奮作用，但F2幼蟲對(duì)祖先DBDPE暴露有跨代抑制作用。
文章小結(jié) 總體而言，我們的研究結(jié)果證實(shí)，DBDPE生命周期暴露會(huì)導(dǎo)致后代多代和跨代發(fā)育障礙，并增加疾病易感性。此外，DBDPE暴露引發(fā)了三代表觀遺傳和基因表達(dá)譜的變化。生物信息學(xué)分析表明，與能量代謝和神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的過程明顯中斷。此外，我們通過機(jī)器學(xué)習(xí)獲得了一系列轉(zhuǎn)錄和甲基化水平的候選基因，這些候選基因涵蓋了主要受影響的途徑，生化指標(biāo)、神經(jīng)遞質(zhì)水平和運(yùn)動(dòng)行為結(jié)果都證明了該觀點(diǎn)。
本研究的轉(zhuǎn)錄組和甲基化部分測序和數(shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
