2023-05-09
Environmental Science& Technology
——影响因子：11.357——
继五一节前给大家推荐Environmental Science & Technology杂志发表的多组学助力新污染物二甲双胍在生物降解方面取得新进展文献之后，本次继续给大家推荐中国科学院水生生物研究所在Environmental Science & Technology期刊发表的一篇题为《Multi- and Transgenerational Developmental Impairments Are Induced by Decabromodiphenyl Ethane (DBDPE) in Zebrafish Larvae》的文章，该文章用转录组+全基因组甲基化研究方法介绍了DBDPE诱导斑马鱼发育障碍的分子机理。
研究概述 新型溴化阻燃剂十溴二苯乙烷(DBDPE)已成为一种普遍存在的新兴污染物。因此，了解其长期毒性作用和潜在机制对进一步的健康风险评估至关重要。在本研究中，研究了斑马鱼在环境相关浓度下的多代和跨代暴露。未暴露的F2幼虫畸形率显著升高，存活率显著下降，提示DBDPE具有跨代发育毒性。转录组和DNA全基因组甲基化揭示的变化谱证实了F2幼虫的易感性增加，并发现了糖脂代谢、线粒体能量代谢和神经发育的潜在破坏。ATP生成等生化指标的变化证实了能量代谢的紊乱，而神经递质含量和光-暗刺激行为的改变为斑马鱼的多代和跨代神经毒性提供了进一步的证据。
技术手段 转录组、全基因组甲基化（WGBS）、UPLC-MS/MS
技术路线
研究结果 1.DBDPE引起斑马鱼幼鱼的多代和跨代损伤 祖先接触 DBDPE 后 F2 幼虫的畸形 考虑到甲状腺激素在心血管功能中起着基础作用，心率的增加可能与胚胎暴露于DBDPE诱导的斑马鱼幼虫甲状腺功能紊乱有关。尽管DBDPE的转移有限，但在F1和F2幼虫中观察到了更多的不良影响。当亲本DBDPE暴露于10 nM时，F1幼鱼体重明显下降，心率明显增加，这可能与F0斑马鱼从胚胎到性成熟和F0种系长期直接暴露有关，最终产生F1代。10 nM组降低了F2幼虫的心率，1和10 nM组显著增加了F2幼虫的体重。此外，1 nM组和10 nM组畸形率明显升高，存活率明显下降。心包水肿、卵黄囊水肿、脊柱弯曲、尾巴弯曲和无眼是F2幼虫的主要畸形。这些结果表明，F2幼虫比F0和F1幼虫有更大的发育障碍风险。 2.DBDPE诱导转录组和甲基化的多代和跨代变化。 全基因组甲基化生物信息学分析 DNA甲基化调控基因转录，是跨代研究中最受关注的表观遗传现象。因此，我们通过转录组和DNA甲基组来揭示F0、F1和F2幼虫的反应谱，并探索DBDPE暴露后跨代发育毒性的潜在机制。 转录组生物信息学分析 F0幼虫共观察到65个转录组差异表达基因(DEG)和454个DNA差异甲基化区(DMRs)，而F1和F2幼虫的DMRs和DEGs数量均显著增加了数倍。热图显示了DEG和DMRs的总体分布和聚类。维恩图显示了不同世代的共同或独特基因。转录组结果的GO富集显示，F0和F1幼虫没有显著变化，但F2幼虫有了显著变化。 总的来说，这些观察结果表明，与F0幼虫相比，F2幼虫在转录和DNA甲基化水平上的反应更强烈，从而为F2幼虫在生命周期暴露于DBDPE后的跨代发育毒性和易感性增加提供了证据。 3.利用机器学习预测潜在的生物标志物 随机森林机器学习生信分析 基于转录组和甲基化数据，确定候选分子生物标志物将有助于进一步了解DBDPE的毒性机制，以及评估和预测DBDPE暴露的风险。因此，建立了随机森林机器学习模型。 结果表明，很多候选物通常对DBDPE暴露高度敏感，并且可能预测相关信号通路的后续反应。例如，eno4和taco1的转录在所有三代斑马鱼幼虫中都发生了显著变化，其中F0幼虫的糖脂代谢、氧化磷酸化和TCA循环几乎没有变化。它们的变化可能预示着线粒体内外的早期反应。 4.DBDPE诱导多代和跨代糖脂和能量代谢紊乱 DBDPE对不同生化指标相对丰度的影响 本研究中葡萄糖、TG的变化表明DBDPE暴露后斑马鱼幼体糖脂的利用异常。ATP和SDH异常显示斑马鱼幼虫的线粒体有可能被破坏。GSH和GSH-px的改变表明斑马鱼幼体存在潜在的氧化应激，也指出了DBDPE暴露时除了线粒体破坏之外的其他机制。 5.DBDPE诱导的多代和跨代发育障碍 神经递质和生理数据检测 来自转录组和DNA甲基化组的证据还揭示了斑马鱼幼体神经传递和光转导的变化概况。因此，神经递质的含量以及光暗刺激的运动行为被用作端点来检查潜在的神经发育毒性。神经递质的改变可能导致兴奋性神经递质(Glu)和抑制性神经递质(GABA)的失衡，进而引起行为调节障碍，兴奋性神经递质受体的表达上调可能是F1幼虫过度活跃的主要原因。 值得注意的是，神经递质水平和运动活动的变化曲线(F0和F1幼虫升高，F2幼虫降低)一致，F0和F1幼虫的心率也表现为升高，F2幼虫的心率降低。这表明，F0和F1幼虫对祖先DBDPE暴露有多代兴奋作用，但F2幼虫对祖先DBDPE暴露有跨代抑制作用。
文章小结 总体而言，我们的研究结果证实，DBDPE生命周期暴露会导致后代多代和跨代发育障碍，并增加疾病易感性。此外，DBDPE暴露引发了三代表观遗传和基因表达谱的变化。生物信息学分析表明，与能量代谢和神经发育相关的过程明显中断。此外，我们通过机器学习获得了一系列转录和甲基化水平的候选基因，这些候选基因涵盖了主要受影响的途径，生化指标、神经递质水平和运动行为结果都证明了该观点。
本研究的转录组和甲基化部分测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
