2023-08-15
《Science of the Total Environment》
影響因子：9.8
文章題目：Polystyrene nanospheres-induced hepatotoxicity in swamp eel (Monopterus albus): From biochemical, pathological and transcriptomic perspectives 技術(shù)手段：轉(zhuǎn)錄組 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院于近期在《Science of the Total Environment》上發(fā)表了聚苯乙烯納米球誘導(dǎo)的黃鱔肝毒性：來自生化、病理和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的角度的研究成果。本研究的轉(zhuǎn)錄組測序和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
作為普遍存在的新興污染物，水環(huán)境中的微塑料（MPs）已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注。盡管我們先前的研究已經(jīng)很好地描述了淡水農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中MPs的存在和特征，但它們對黃鱔的生態(tài)毒理學(xué)影響仍然是未知的。肝臟是動物體內(nèi)最大的器官，在脂質(zhì)代謝和外源性解毒中起著關(guān)鍵作用。在魚類中，它對外部環(huán)境刺激極為敏感，易受MPs暴露的影響，因此適合于應(yīng)激反應(yīng)和環(huán)境監(jiān)測。本研究的重點是在黃鱔的肝臟上，通過理化生物標(biāo)志物測量、組織病理學(xué)分析和轉(zhuǎn)錄組測序，確定原始PS-NPs（100 nm）暴露的毒理學(xué)特征和機制。研究結(jié)果不僅揭示了PS-MPs誘導(dǎo)黃鱔肝毒性的毒理學(xué)機制，還強調(diào)了養(yǎng)殖環(huán)境中MPs污染的生態(tài)風(fēng)險和適當(dāng)管理。
一、技術(shù)路線
二、研究結(jié)果
PS-NPs暴露引起的氧化應(yīng)激反應(yīng) 在不同濃度的PS-NPs暴露28天后，ROS、MDA、8-OHdG和MFO水平與對照相比顯著上升，在10 mg/L時分別上升了74.4%、2.43倍、99.2%和24.0%。相反，隨著濃度的升高，SP含量和T-AOC活性呈下降趨勢，分別顯著下降44.5%和31.5%。而TAOC和MFO在0.5 mg/L和5 mg/L濃度下的活性最高，分別顯著提高42.4%和40.2%。 PS-NPs暴露對肝臟生理代謝的影響 暴露于PS-NPs后，肝臟生理功能明顯受到影響，GPT（60.1%）、AKP（52.0%）、ACP（36.2%）和LDH（26.9%）的活性在10 mg/L時下降幅度最大，GOT的活性在5 mg/L時下降幅度最大（59.5%）但在10 mg/L時略有上升。相反，TG、TC和HIS水平呈濃度依賴性增加，分別上升了54.2-244.4%、18.3-49.8%和22.3-30.5%。 圖1 PS納米微球?qū)Ρ┞?8 d后肝臟生理和脂質(zhì)代謝的影響 PS-NPs暴露對肝細(xì)胞凋亡及組織形態(tài)學(xué)的影響 在中至高濃度PS-NPs處理后，細(xì)胞凋亡標(biāo)志物如Cytc、Caspase 3、8、9的活性均較對照顯著升高，分別上升55.9 - 77.6%、26.9 - 57.1%、45.7%和46.2 - 59.0%。TUNEL檢測表明，在PS-NPs暴露期間，凋亡陽性細(xì)胞以濃度依賴性的方式增加，與對照相比，10 mg/L組里綠色熒光強度更強，凋亡率約為76.0倍，PCD為75.0倍。另一方面，DAPI標(biāo)記的肝細(xì)胞核（藍(lán)色熒光）在處理后表現(xiàn)出無序和縮少的模式。 如圖所示，對照組肝細(xì)胞排列均勻緊湊，細(xì)胞核大且呈球形。而PS-NPs球體可導(dǎo)致嚴(yán)重的肝臟損傷，表現(xiàn)為一系列形態(tài)畸形，如空泡變性（紅色五邊形）、炎癥浸潤（綠色箭頭）、充血（黃色箭頭）等。此外，隨著暴露濃度的增加，更多的脂滴（黑色箭頭）沉積，ORO染色也顯示了這一點，肝組織中紅色脂滴數(shù)量的依次遞增。 圖2 PS-NPs對暴露28天后肝細(xì)胞凋亡的影響 圖3 PS-NPs暴露28天后肝臟組織病理學(xué)和脂質(zhì)沉積的變化 PS-NPs處理后GO和KEGG富集分析 在C vs L中，前20個GO條目被分為兩個子集，即細(xì)胞成分（CC）和分子功能（MF），主要富集在膜和催化活性相關(guān)的條目。前20個KEGG通路被劃分為5個大類，大多數(shù)被富集的DEGs上調(diào)并歸屬于機體系統(tǒng)，即蛋白質(zhì)消化吸收、脂肪消化吸收、脂肪細(xì)胞因子信號通路。值得注意的是，細(xì)胞凋亡、醚脂代謝和甘油脂代謝也發(fā)生了顯著的改變。 就C vs M而言，前20個GO條目被分為生物過程（BP）和MF，其中DEGs優(yōu)先富集在單一生物過程和對刺激的反應(yīng)。前20個KEGG通路被劃分為6個大類，大多數(shù)被定位的DEGs下調(diào)并與人類疾病有關(guān)，即脂質(zhì)和動脈粥樣硬化、肝細(xì)胞癌。 關(guān)于C vs H，前20個GO條目被分為三個亞組，即CC、BP和MF，主要富集在細(xì)胞質(zhì)和氧化還原過程相關(guān)的條目。前20個KEGG通路被劃分為6個大類，大多數(shù)被定位的DEGs下調(diào)并與人類疾病有關(guān)，即化學(xué)致癌-活性氧、非酒精性脂肪性肝（NAFLD）、肝細(xì)胞癌。此外，氧化磷酸化也顯著富集。 圖4 GO和KEGG富集分析 PS-MPs對Keap1-Nrf2信號轉(zhuǎn)錄表達(dá)的影響 在正常條件下，Nrf2通過與keap1偶聯(lián)而保持異二聚體狀態(tài)。而ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激導(dǎo)致Nrf2-keap1復(fù)合物的解離，磷酸化的Nrf2釋放并易位進入細(xì)胞核，在細(xì)胞核中Nrf2與sMaf二聚并結(jié)合到位于細(xì)胞保護基因啟動子區(qū)域的ARE上，最終激活下游的抗氧化和解毒基因。PS-NPs暴露后，10 mg/L組Nrf2顯著上調(diào)，而sMaf下調(diào)，導(dǎo)致除Gpx7、Cyp11A、Cyp24A1和Cyp2K1-like外，抗氧化防御酶和CYP450家族的表達(dá)主要受到抑制。相反，編碼Hsp超家族的基因隨暴露濃度的升高呈上升趨勢，且大部分在C vs H中受到顯著刺激。 PS-MPs對p53信號轉(zhuǎn)錄表達(dá)的影響 PS-NPs通過細(xì)胞膜進入細(xì)胞質(zhì)并引起DNA損傷，8-OHdG水平顯著升高就是證據(jù)。隨后，p53被分別由ATR和ATM激活的Chk1和Chk2磷酸化。被激活的p53進一步觸發(fā)涉及死亡受體Fas和DR5的外源性凋亡通路。最后，Cytc激活伴隨著caspase-9、caspase-3的上調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞蛋白裂解和凋亡。另外，IGF-BP3被p53轉(zhuǎn)錄激活，并通過抑制IGF促進p53依賴性細(xì)胞凋亡。暴露濃度相對較高的組中，Cytcsb、Cytcb、Casp3、Casp9和IGF-BP3的轉(zhuǎn)錄物水平顯著上調(diào)。值得注意的是，在這三種類型中p53的表達(dá)均有相當(dāng)大的升高，但并不顯著。 圖5 轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示的PS-NPs慢性暴露對p53信號通路的調(diào)控示意圖 PS-MPs對PPAR信號轉(zhuǎn)錄表達(dá)的影響 PPARs的三種亞類（α、β、γ）與RXR作為異二聚體伴侶偶聯(lián)，并與PPRE結(jié)合，控制脂質(zhì)代謝、脂肪生成和代謝穩(wěn)態(tài)相關(guān)基因的表達(dá)。隨著暴露濃度的升高，用于脂質(zhì)轉(zhuǎn)移的FATP6和用于脂質(zhì)攝取的FABP的轉(zhuǎn)錄水平分別被顯著抑制和刺激。PPARs和RXR復(fù)合物的抑制進一步導(dǎo)致下游效應(yīng)基因的失調(diào)，即膽固醇代謝的LXRα顯著下調(diào)；KMGCS1用于酮生成；參與脂肪酸氧化的ACO、SCP2、LCADvl以及參與脂肪生成的SCDb上調(diào)；MMP、Angptl3、Perilipin2用于脂肪細(xì)胞分化；Apo用于脂質(zhì)運輸。 圖6 轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示的PS-NPs慢性暴露對PPAR信號通路的調(diào)控示意圖
綜上所述，本研究通過綜合分析，從分子、細(xì)胞和組織水平研究了PS-NPs慢性暴露對黃鱔的毒理學(xué)效應(yīng)和機制。GO和KEGG富集分析確定了對刺激的反應(yīng)、氧化還原過程以及凋亡途徑、化學(xué)致癌-活性氧、非酒精性脂肪性肝（NAFLD）的顯著關(guān)聯(lián)，指出PS-NPs在肝臟生物生理功能和相關(guān)細(xì)胞信號傳導(dǎo)中的有害干擾。具體而言，隨著暴露濃度的升高，ROS爆發(fā)誘發(fā)Keap1-Nrf2信號傳導(dǎo)，抑制抗氧化防御基因（SOD、CAT、GPx、GST等）和CYP450家族基因的表達(dá)，同時上調(diào)Hsp家族基因。除MFO活性升高外，SP水平和T-AOC活性均下降。ROS、MDA和8-OHdG水平升高引起的氧化損傷、脂質(zhì)過氧化和遺傳毒性進一步導(dǎo)致肝臟組織病理學(xué)明顯缺陷，以及GPT、GOT、AKP、ACP和LDH等功能指標(biāo)的下降。此外，隨著Cytc、Casps表達(dá)和活性的增強，p53信號被激活，加劇了肝細(xì)胞的凋亡。還有PPAR信號傳導(dǎo)失調(diào)誘導(dǎo)肝組織中TG、TC和HIS水平升高以及脂質(zhì)脂肪變性。研究結(jié)果揭示了MPs誘導(dǎo)肝毒性的物理化學(xué)和分子機制，并強調(diào)了淡水養(yǎng)殖中MPs的生態(tài)風(fēng)險評估。
參考文獻： Lv W, Gu H, He D, Liu Z, Yao C, Huang W, Yuan Q, Zhou W. Polystyrene nanospheres-induced hepatotoxicity in swamp eel (Monopterus albus): From biochemical, pathological and transcriptomic perspectives. Sci Total Environ. 2023 Oct 1;893:164844.
