随着水污染治理工作的进行，我国的水污染目前已进入低剂量、潜伏性及长久性的排放过程。由于释放浓度低，短期内污染物对生态环境及生物健康影响较小，易被忽视，但这些污染物依然能通过长期的生物富集对生态环境及人体健康造成严重威胁。据报道，我国胎儿近年来畸形率成倍增长，其中80%是由被释放入水环境或大气环境中的汞、铅等重金属、多氯联苯以及多环芳烃造成的。这是因为生物胚胎在快速生长的同时对外界损伤也最为敏感，从而成为低浓度毒素的主要受害者。更严重的是，水生生物的胚胎多为体外发育，缺少母体保护的情况下，即便极低浓度的毒素也会引发发育畸形、停滞乃至于死亡。有鉴于此，越来越多的研究者将胚胎毒性以及解毒调控机制作为环境毒理学的重要研究内容，从而一方面对胚胎解毒机制进行研究便于进行环境毒性防治，另一方面通过探索胚胎发育早期的应激指标，进行低浓度环境毒素预警。
中科院苏州医工所尹焕才组殷建研究员以斑马鱼胚胎为模型，长期从事胚胎应对环境损伤的抵御机制研究，并发现了ABC转运蛋白（ATP Binding Cassette Transporters）在其中的重要作用。该蛋白是一个包含200多种蛋白的超家族，并广泛分布于原核及真核动物中，并具备外源物排出与毒性抵御作用。对斑马鱼而言，其自胚胎形成阶段起即已开始表达由母体遗传来的转运蛋白，并以之作为自我保护的重要形式。但胚胎如何识别外源物，并进而应激性调控转运蛋白进行应激的作用机制目前仍处于未知。
科研人员在前期工作（Environ Pollut, 2019, 244, 588-599）中发现，孕烷X受体（Pregnane X receptor，Pxr）等核受体及核因子NF-E2相关因子2（NF-E2-related factor 2，Nrf2）可在胚胎受损时显著上调，且变化幅度达到了ABC转运蛋白的10倍以上，从而提示它们可能参与了转运蛋白调控。因此在本项工作中，科研人员以Pxr与Nrf2为研究对象，采用CRISPR-Cas9系统对斑马鱼胚胎进行基因沉默，并用其进行了核转录因子调控转运蛋白功能的机理研究。通过检测可知，Pxr与Nrf2基因的敲除显著减弱了ABC转运蛋白的诱导现象，从而表明其对于转运蛋白功能可能的调控作用。根据实际减弱效果可知，Pxr核受体主要对应于转运蛋白Mrp1及Pgp，而Nrf2转录因子主要对应于转运蛋白Mrp2及部分Pgp，且可明显看出Pxr作用效果强于Nrf2（图1）。
图1. 重金属离子诱导斑马鱼胚胎ABC转运蛋白的作用机制。重金属离子进入斑马鱼胚胎后，一方面可诱导Pxr等核受体的表达，另一方面则可通过诱导氧化应激压力损伤，刺激机体Nrf2因子的表达，两条路径构成了机体自我保护的内在机制，并通过上调ABC转运蛋白功能，实现重金属防御
尽管如此，科研人员并未在Pxr敲除型斑马鱼胚胎中观察到显著的重金属毒性变化，这主要是因为应对于ABC转运蛋白可诱导性的丧失，斑马鱼胚胎应激性的提高了转运蛋白的基底表达，从而实现了转运蛋白补偿，进而维持了机体自我保护能力。这一现象与文献报道中发现的胚胎发育早期强大的纠错能力不谋而合，因而可成为下一步研究的目标。
与此同时，科研人员发现Nrf2敲除型斑马鱼表现出了更大的胚胎金属毒性，这主要是因为Nrf2同时也是机体内的重要氧化还原平衡因子，其介导的抗氧化体系如谷胱甘肽（GSH）的合成，是应对金属过氧化损伤的重要机制。因此科研人员检测了胚胎中的GSH含量，发现正常胚胎及Pxr敲除型斑马鱼均可在重金属处理后上调GSH含量，从而减小胚胎损伤。而Nrf2缺失后，斑马鱼胚胎失去了GSH的合成能力，因此重金属的处理只会导致GSH减少，进而引发了更严重的机体损伤（图1）。
图2. 不同敲除模型中镉离子（Cd2+）及银离子（Ag+）引发的氧化应激压力，表征为荧光强度
本文章为团队科研进展的一部分，揭示了胚胎发育早期的损伤应激性机制，从而为据此开发的环境监测模型及毒性防治技术开发等奠定了基础。
该研究成果已发表在环境毒理学领域的顶级期刊Environ Pollut上（中科院1区TOP，本年度实时影响因子为7.874）。
以上工作得到了国家自然科学基金面上项目及山东省自然基金的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749119336462
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