2023-08-15
《Science of the Total Environment》
影响因子：9.8
文章题目：Polystyrene nanospheres-induced hepatotoxicity in swamp eel (Monopterus albus): From biochemical, pathological and transcriptomic perspectives 技术手段：转录组 上海市农业科学院于近期在《Science of the Total Environment》上发表了聚苯乙烯纳米球诱导的黄鳝肝毒性：来自生化、病理和转录组学的角度的研究成果。本研究的转录组测序和部分数据分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
作为普遍存在的新兴污染物，水环境中的微塑料（MPs）已经引起了全球的广泛关注。尽管我们先前的研究已经很好地描述了淡水农业生态系统中MPs的存在和特征，但它们对黄鳝的生态毒理学影响仍然是未知的。肝脏是动物体内最大的器官，在脂质代谢和外源性解毒中起着关键作用。在鱼类中，它对外部环境刺激极为敏感，易受MPs暴露的影响，因此适合于应激反应和环境监测。本研究的重点是在黄鳝的肝脏上，通过理化生物标志物测量、组织病理学分析和转录组测序，确定原始PS-NPs（100 nm）暴露的毒理学特征和机制。研究结果不仅揭示了PS-MPs诱导黄鳝肝毒性的毒理学机制，还强调了养殖环境中MPs污染的生态风险和适当管理。
一、技术路线
二、研究结果
PS-NPs暴露引起的氧化应激反应 在不同浓度的PS-NPs暴露28天后，ROS、MDA、8-OHdG和MFO水平与对照相比显著上升，在10 mg/L时分别上升了74.4%、2.43倍、99.2%和24.0%。相反，随着浓度的升高，SP含量和T-AOC活性呈下降趋势，分别显著下降44.5%和31.5%。而TAOC和MFO在0.5 mg/L和5 mg/L浓度下的活性最高，分别显著提高42.4%和40.2%。 PS-NPs暴露对肝脏生理代谢的影响 暴露于PS-NPs后，肝脏生理功能明显受到影响，GPT（60.1%）、AKP（52.0%）、ACP（36.2%）和LDH（26.9%）的活性在10 mg/L时下降幅度最大，GOT的活性在5 mg/L时下降幅度最大（59.5%）但在10 mg/L时略有上升。相反，TG、TC和HIS水平呈浓度依赖性增加，分别上升了54.2-244.4%、18.3-49.8%和22.3-30.5%。 图1 PS纳米微球对暴露28 d后肝脏生理和脂质代谢的影响 PS-NPs暴露对肝细胞凋亡及组织形态学的影响 在中至高浓度PS-NPs处理后，细胞凋亡标志物如Cytc、Caspase 3、8、9的活性均较对照显著升高，分别上升55.9 - 77.6%、26.9 - 57.1%、45.7%和46.2 - 59.0%。TUNEL检测表明，在PS-NPs暴露期间，凋亡阳性细胞以浓度依赖性的方式增加，与对照相比，10 mg/L组里绿色荧光强度更强，凋亡率约为76.0倍，PCD为75.0倍。另一方面，DAPI标记的肝细胞核（蓝色荧光）在处理后表现出无序和缩少的模式。 如图所示，对照组肝细胞排列均匀紧凑，细胞核大且呈球形。而PS-NPs球体可导致严重的肝脏损伤，表现为一系列形态畸形，如空泡变性（红色五边形）、炎症浸润（绿色箭头）、充血（黄色箭头）等。此外，随着暴露浓度的增加，更多的脂滴（黑色箭头）沉积，ORO染色也显示了这一点，肝组织中红色脂滴数量的依次递增。 图2 PS-NPs对暴露28天后肝细胞凋亡的影响 图3 PS-NPs暴露28天后肝脏组织病理学和脂质沉积的变化 PS-NPs处理后GO和KEGG富集分析 在C vs L中，前20个GO条目被分为两个子集，即细胞成分（CC）和分子功能（MF），主要富集在膜和催化活性相关的条目。前20个KEGG通路被划分为5个大类，大多数被富集的DEGs上调并归属于机体系统，即蛋白质消化吸收、脂肪消化吸收、脂肪细胞因子信号通路。值得注意的是，细胞凋亡、醚脂代谢和甘油脂代谢也发生了显著的改变。 就C vs M而言，前20个GO条目被分为生物过程（BP）和MF，其中DEGs优先富集在单一生物过程和对刺激的反应。前20个KEGG通路被划分为6个大类，大多数被定位的DEGs下调并与人类疾病有关，即脂质和动脉粥样硬化、肝细胞癌。 关于C vs H，前20个GO条目被分为三个亚组，即CC、BP和MF，主要富集在细胞质和氧化还原过程相关的条目。前20个KEGG通路被划分为6个大类，大多数被定位的DEGs下调并与人类疾病有关，即化学致癌-活性氧、非酒精性脂肪性肝（NAFLD）、肝细胞癌。此外，氧化磷酸化也显著富集。 图4 GO和KEGG富集分析 PS-MPs对Keap1-Nrf2信号转录表达的影响 在正常条件下，Nrf2通过与keap1偶联而保持异二聚体状态。而ROS诱导的细胞应激导致Nrf2-keap1复合物的解离，磷酸化的Nrf2释放并易位进入细胞核，在细胞核中Nrf2与sMaf二聚并结合到位于细胞保护基因启动子区域的ARE上，最终激活下游的抗氧化和解毒基因。PS-NPs暴露后，10 mg/L组Nrf2显著上调，而sMaf下调，导致除Gpx7、Cyp11A、Cyp24A1和Cyp2K1-like外，抗氧化防御酶和CYP450家族的表达主要受到抑制。相反，编码Hsp超家族的基因随暴露浓度的升高呈上升趋势，且大部分在C vs H中受到显著刺激。 PS-MPs对p53信号转录表达的影响 PS-NPs通过细胞膜进入细胞质并引起DNA损伤，8-OHdG水平显著升高就是证据。随后，p53被分别由ATR和ATM激活的Chk1和Chk2磷酸化。被激活的p53进一步触发涉及死亡受体Fas和DR5的外源性凋亡通路。最后，Cytc激活伴随着caspase-9、caspase-3的上调，导致细胞蛋白裂解和凋亡。另外，IGF-BP3被p53转录激活，并通过抑制IGF促进p53依赖性细胞凋亡。暴露浓度相对较高的组中，Cytcsb、Cytcb、Casp3、Casp9和IGF-BP3的转录物水平显著上调。值得注意的是，在这三种类型中p53的表达均有相当大的升高，但并不显著。 图5 转录组学分析揭示的PS-NPs慢性暴露对p53信号通路的调控示意图 PS-MPs对PPAR信号转录表达的影响 PPARs的三种亚类（α、β、γ）与RXR作为异二聚体伴侣偶联，并与PPRE结合，控制脂质代谢、脂肪生成和代谢稳态相关基因的表达。随着暴露浓度的升高，用于脂质转移的FATP6和用于脂质摄取的FABP的转录水平分别被显著抑制和刺激。PPARs和RXR复合物的抑制进一步导致下游效应基因的失调，即胆固醇代谢的LXRα显著下调；KMGCS1用于酮生成；参与脂肪酸氧化的ACO、SCP2、LCADvl以及参与脂肪生成的SCDb上调；MMP、Angptl3、Perilipin2用于脂肪细胞分化；Apo用于脂质运输。 图6 转录组学分析揭示的PS-NPs慢性暴露对PPAR信号通路的调控示意图
综上所述，本研究通过综合分析，从分子、细胞和组织水平研究了PS-NPs慢性暴露对黄鳝的毒理学效应和机制。GO和KEGG富集分析确定了对刺激的反应、氧化还原过程以及凋亡途径、化学致癌-活性氧、非酒精性脂肪性肝（NAFLD）的显著关联，指出PS-NPs在肝脏生物生理功能和相关细胞信号传导中的有害干扰。具体而言，随着暴露浓度的升高，ROS爆发诱发Keap1-Nrf2信号传导，抑制抗氧化防御基因（SOD、CAT、GPx、GST等）和CYP450家族基因的表达，同时上调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损伤、脂质过氧化和遗传毒性进一步导致肝脏组织病理学明显缺陷，以及GPT、GOT、AKP、ACP和LDH等功能指标的下降。此外，随着Cytc、Casps表达和活性的增强，p53信号被激活，加剧了肝细胞的凋亡。还有PPAR信号传导失调诱导肝组织中TG、TC和HIS水平升高以及脂质脂肪变性。研究结果揭示了MPs诱导肝毒性的物理化学和分子机制，并强调了淡水养殖中MPs的生态风险评估。
参考文献： 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.
