砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)毒理機(jī)制的研究進(jìn)展

趙紅蓮，徐芳，李懷紅，鄒偉

（昆明醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，云南昆明 650500）

砷在地殼中分布廣泛，可與黃鐵礦形成復(fù)合體，但很容易從礦物中解離出來(lái)，進(jìn)入土壤和水中[1]。砷暴露通常會(huì)擾亂植物新陳代謝，影響土壤動(dòng)物的生長(zhǎng)，長(zhǎng)期接觸砷與人類癌癥、糖尿病、心血管疾病和生殖缺陷的發(fā)生有關(guān)[2-3]。砷的生物轉(zhuǎn)化主要由環(huán)境中的微生物介導(dǎo)，包括As（V）還原、As（Ⅲ）氧化、甲基化、去甲基化和轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程。單質(zhì)砷基本無(wú)毒，砷化合物均有毒性。其中，三價(jià)砷比五價(jià)砷毒性大，而無(wú)機(jī)砷毒性強(qiáng)于有機(jī)砷[4]。線蟲(chóng)在土壤生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)中扮演著重要的角色[5]，秀麗隱桿線蟲(chóng)因體積小、易于實(shí)驗(yàn)室維護(hù)和生命周期短等特點(diǎn)成為研究環(huán)境毒理學(xué)和宿主-腸道微生物群相互作用的一種新興模式生物。線蟲(chóng)對(duì)毒物暴露非常敏感，暴露于砷可引起自由基生成和抗氧化防御系統(tǒng)失衡所致的氧化應(yīng)激[6]。以秀麗隱桿線蟲(chóng)為模式生物，有助于揭示污染環(huán)境下宿主生理活動(dòng)作用機(jī)制。本文從秀麗隱桿線蟲(chóng)對(duì)砷化合物代謝以及砷化合物對(duì)線蟲(chóng)糖代謝、生殖毒性、壽命、跨代遺傳的影響等方面進(jìn)行綜述，探討砷化合物對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的毒理機(jī)制。

1 秀麗隱桿線蟲(chóng)對(duì)砷化合物的代謝

秀麗隱桿線蟲(chóng)通過(guò)咽部神經(jīng)肌肉器官的節(jié)律性收縮將含有細(xì)菌的液體泵入其口腔以獲取食物，砷化合物可隨線蟲(chóng)的攝食而進(jìn)入線蟲(chóng)體內(nèi)[7]。線蟲(chóng)中的半乳糖凝集素LEC-1與脊椎動(dòng)物半乳糖凝集素GAL-1同源，是一種含有6個(gè)巰基的糖結(jié)合蛋白，這些巰基是As（Ⅲ）的高親和力結(jié)合位點(diǎn)，參與As（Ⅲ）的毒性作用[8]。線粒體作為As（Ⅲ）毒性的主要細(xì)胞靶點(diǎn)而富集As（Ⅲ），As（Ⅲ）對(duì)蛋白質(zhì)中的巰基有很高的親和力，導(dǎo)致包括電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅱ和Ⅳ在內(nèi)的多種酶的失活，引起線粒體損傷并誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生[9-10]。

自噬是一種重要的細(xì)胞自我防御過(guò)程，可以消除錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)并破壞被損害的細(xì)胞器，特別是功能障礙的線粒體，來(lái)抵御As（Ⅲ）誘導(dǎo)的毒性[11]。低劑量As（Ⅲ）不能誘導(dǎo)線蟲(chóng)的自噬基因lgg-1和atg-18表達(dá)，表明自噬在非致死濃度的As（Ⅲ）毒性中的作用有限。此外，谷氨酰半胱氨酸合成酶-1（Glutamate cysteine ligase-1，GCS-1）對(duì)細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的合成是必需的，GSH在保護(hù)線蟲(chóng)由砷引起的氧化應(yīng)激所致中毒過(guò)程中具有關(guān)鍵作用，但其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究[12]。

近期，一些研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）能顯著保護(hù)線蟲(chóng)線粒體免受As（Ⅲ）攻擊，并抑制As（Ⅲ）誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS的過(guò)程，從而使As（Ⅲ）誘導(dǎo)的毒性降至最低。GO通過(guò)共運(yùn)輸影響As（Ⅲ）的吸收和排泄[13]，As（Ⅲ）在GO上的吸附可能會(huì)減輕毒物的蓄積，同時(shí)GO對(duì)LEC-1蛋白產(chǎn)生抑制，最終促進(jìn)了As（Ⅲ）在體內(nèi)的清除[10]。此外，有研究表明線蟲(chóng)中砷的還原和甲基化是由其腸道微生物介導(dǎo)的[14]，大腸桿菌BL21或BL21M染色體ars操縱子（ArsR、ArsB和ArsC）介導(dǎo)對(duì)As（Ⅲ）的抗性。ArsR是一種AS（Ⅲ）反應(yīng)的操縱子阻遏因子，在細(xì)胞內(nèi)與As（Ⅲ）結(jié)合后導(dǎo)致As（Ⅲ）失去活性。此外，ArsB可將由ArsC還原而來(lái)的AS（Ⅲ）排出至胞外[14]。

綜上所述，三價(jià)砷在秀麗隱桿線蟲(chóng)線粒體的富集，會(huì)引起線粒體損傷和ROS的產(chǎn)生。自噬可以消除錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，以抵御As（Ⅲ）誘導(dǎo)的毒性。此外，氧化石墨烯和線蟲(chóng)的腸道微生物對(duì)線蟲(chóng)砷中毒具有保護(hù)作用。

2 砷對(duì)線蟲(chóng)的毒理作用研究

目前，砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的毒理作用研究主要集中于對(duì)糖代謝的影響[15]、生殖毒性[16]和壽命的影響[17]等方面。

2.1 砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)糖代謝的影響

糖酵解和糖異生途徑受砷暴露的影響[15]：（1）砷抑制了線蟲(chóng)的糖酵解途徑，從而提高了線蟲(chóng)體內(nèi)葡萄糖水平；（2）砷通過(guò)抑制糖原合成和促進(jìn)糖原分解來(lái)降低糖原水平，從而增加葡萄糖水平；（3）盡管砷暴露會(huì)影響糖異生途徑，但這可能不是砷引起線蟲(chóng)葡萄糖水平上升的主要原因?？偟膩?lái)說(shuō)，砷暴露增加線蟲(chóng)體內(nèi)葡萄糖水平可能是通過(guò)抑制糖酵解和糖原生成通路中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和關(guān)鍵酶的基因表達(dá)水平來(lái)實(shí)現(xiàn)的[15]。亞砷酸鈉暴露，線蟲(chóng)體內(nèi)糖酵解途徑相關(guān)基因己糖激酶（hxk-2）、6-磷酸果糖激酶（pfk-1.1）和丙酮酸激酶（pyk-1）mRNA的表達(dá)水平均降低[15]。此外，砷的暴露會(huì)影響線蟲(chóng)的葡萄糖代謝，并且這種影響在砷暴露停止后仍然會(huì)持續(xù)幾代[18]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，亞砷酸鹽暴露，增加了線蟲(chóng)F0代血液總葡萄糖含量，并且fgt-1的跨代下調(diào)使得在后代中血液葡萄糖含量也隨之升高。

2.2 砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)產(chǎn)生生殖毒性

生殖系統(tǒng)具有產(chǎn)生生殖細(xì)胞、繁衍后代的作用，在秀麗隱桿線蟲(chóng)繁殖后代的過(guò)程中具有關(guān)鍵作用，如果生殖系統(tǒng)遭到損傷會(huì)嚴(yán)重影響其繁衍[16]。砷（As）等生物毒性較大的重金屬元素滲入土壤以及水體中后，可通過(guò)食物鏈富集進(jìn)入人體，對(duì)人類健康造成威脅。有研究顯示，當(dāng)秀麗隱桿線蟲(chóng)接觸重金屬后，世代時(shí)間會(huì)明顯延長(zhǎng)，但是后代的數(shù)目會(huì)明顯減少[16]。此外，亞砷酸鈉暴露會(huì)導(dǎo)致線蟲(chóng)生殖細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡，線蟲(chóng)的產(chǎn)卵率明顯降低，且生殖細(xì)胞具有遺傳毒性[18]。

2.3 砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命的影響

壽命可以反映毒物暴露的長(zhǎng)期影響。秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命通常為3周左右，影響秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命的因素很多，主要包括繁殖期的溫度、飲食、紫外線輻射等，親代壽命對(duì)子代壽命的影響很小。亞砷酸鹽暴露可顯著縮短線蟲(chóng)的壽命：在亞砷酸鹽暴露下，秀麗隱桿線蟲(chóng)的排便率下降，與年齡相關(guān)的排便率的退化暗示著線蟲(chóng)的生理衰老；腸道脂褐素和熱休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）mRNA水平的積累是線蟲(chóng)衰老的生物標(biāo)志物，老年野生型線蟲(chóng)腸道脂褐素積累和HSPs表達(dá)水平呈年齡依賴性增加，亞砷酸鹽暴露進(jìn)一步增強(qiáng)了老年野生型線蟲(chóng)腸道脂褐素的積累和HSPs的表達(dá)[17]；此外，慢性亞砷酸鹽暴露導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的過(guò)量產(chǎn)生，加速衰老進(jìn)程，轉(zhuǎn)錄因子DAF-16/FOXO可通過(guò)調(diào)控超氧化物歧化酶SOD-3的表達(dá)增強(qiáng)保護(hù)生物體免受氧化應(yīng)激損傷[19]。

3 砷對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)影響的跨代遺傳

母本（F0）代在妊娠期或更早期接觸各種環(huán)境毒物會(huì)產(chǎn)生不良影響，可在后代（F1代）、多代（F2代）或跨代（F3及以上）中導(dǎo)致發(fā)病。將同步培養(yǎng)的秀麗隱桿線蟲(chóng)暴露在砷環(huán)境下，其后代則在新鮮的線蟲(chóng)生長(zhǎng)培養(yǎng)基NGM上培養(yǎng)。結(jié)果表明，砷對(duì)線蟲(chóng)的各種行為指標(biāo)（頭部擺動(dòng)、身體彎曲、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡波長(zhǎng)、身體振幅等）均有影響，且影響一般從24 h開(kāi)始累積，并持續(xù)整個(gè)暴露過(guò)程。這些行為障礙具有跨代性，各種行為指標(biāo)在跨代間的反應(yīng)逐漸減弱[20]。當(dāng)F0暴露于砷環(huán)境時(shí)，線蟲(chóng)幼蟲(chóng)的體型顯著減小，這種表型也出現(xiàn)在未食用含亞砷酸鹽食物的后代（F1～F5）中[18]。組蛋白賴氨酸特異性去甲基酶（Lysine Specific Demethylase 1，LSD-1，又稱 KDM1）和早衰蛋白缺陷抑制因子SPR-5的mRNA水平在F0（暴露的世代）及之后的F1～F3（未暴露世代）中明顯下降，且F0～F3世代增加了H3K4的二甲基化，因此母體砷暴露可能導(dǎo)致線蟲(chóng)產(chǎn)生跨代生殖效應(yīng)，這可能與H3K4二甲基化和spr-5基因下調(diào)有關(guān)[18]。

4 結(jié)語(yǔ)

秀麗隱桿線蟲(chóng)雖然結(jié)構(gòu)較哺乳動(dòng)物簡(jiǎn)單，但仍具有高度的基因組同源性，以秀麗隱桿線蟲(chóng)為模式生物，探索砷在動(dòng)物體內(nèi)的毒理機(jī)制具有較高的研究?jī)r(jià)值。砷是一種已知的人類致癌物，受砷污染的地下水對(duì)人們的健康構(gòu)成重大威脅，使砷中毒成為一個(gè)世界性的公共衛(wèi)生問(wèn)題。砷暴露與許多不良反應(yīng)有關(guān)，如皮膚病、癌癥（皮膚癌、膀胱癌、腎癌和肺癌）、外周血管疾病、生殖毒性和神經(jīng)毒性效應(yīng)。以秀麗隱桿線蟲(chóng)為模式生物研究砷化合物的毒理機(jī)制，主要集中于砷化合物對(duì)線蟲(chóng)糖代謝、生殖毒性、壽命、跨代遺傳等方面的影響。然而，砷的神經(jīng)毒性和對(duì)衰老的影響關(guān)注較少，相應(yīng)機(jī)制尚不十分清楚，需要加強(qiáng)對(duì)這些未知領(lǐng)域的深入探索，以進(jìn)一步揭示砷代謝和其相應(yīng)的毒理學(xué)機(jī)制。