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        三氯乙烯對斑馬魚胚胎心臟發(fā)育的毒性作用及機(jī)制*

        2019-11-05 12:19:52史佳林張可佳
        關(guān)鍵詞:三氯乙烯斑馬魚胚胎

        史佳林, 夏 穎, 花 月, 張可佳, 陳 濤, 姜 巖△

        (1. 蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部, 江蘇 蘇州 215123; 2. 江蘇省老年疾病預(yù)防轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點實驗室, 蘇州大學(xué), 江蘇 蘇州 215123)

        三氯乙烯(trichloroethylene,TCE)是一種易揮發(fā)的無色液體,作為清洗劑在電子、電鍍等行業(yè)長期廣泛應(yīng)用,也常用作萃取溶劑和高分子化合物的生產(chǎn)原料等。由于其廣泛應(yīng)用及其所具有的揮發(fā)性和微量溶水性,三氯乙烯已成為全球最重要的有機(jī)污染物之一,廣泛存在于大氣、土壤和地下水中[1]。對我國城市淺層地下水有機(jī)污染的研究也表明三氯乙烯是主要的污染物,2012年國際癌癥研究組織(International Agency for Research on Cancer, IARC)將三氯乙烯從2A類(人類可能致癌物)升級為I類(人類致癌物)[2]。

        先天性心臟病(congenital heart disease, CHD)是指胚胎期心血管發(fā)育異常而累及心功能的一組先天性畸形,新生兒的發(fā)病率為4.05%~12.3%,嚴(yán)重危害幼兒健康,越來越多的證據(jù)表明除遺傳因素外,環(huán)境因素是先心病發(fā)生的主要原因[3]。Goldberg等人首次報道,正常孕婦孕期接觸TCE污染誘發(fā)先心病患兒的是孕期未接觸的3倍[4]。隨后的研究進(jìn)一步顯示:高齡孕婦孕期接觸TCE污染孕育先心病嬰兒的風(fēng)險率是孕期未接觸的6倍[5]。迄今為止,有關(guān)TCE與人先心病的研究主要局限在TCE污染地區(qū)的流行病學(xué)研究,而結(jié)果分析受多種因素的干擾,如污染地區(qū)其他污染物并存影響,暴露時間和強(qiáng)度的非可控性,樣本量數(shù)目的局限性等。鑒于我國每年新增先天性心臟病患者15~20萬以及TCE在我國的長期廣泛使用,因而有必要針對TCE心臟發(fā)育的毒性作用及其機(jī)制開展深入研究,從而提高人口生存質(zhì)量。TCE暴露與先心病之間是否具有因果關(guān)系,以及有關(guān)TCE在胚胎發(fā)育過程中對心肌毒性機(jī)制的研究罕有報道。本實驗室前期結(jié)果顯示,TCE可抑制人胚胎干細(xì)胞向心肌的定向分化[6]。

        心臟分化發(fā)育是多個信號通路相互作用的結(jié)果。大量研究表明,Wnt信號通路調(diào)控心肌分化,并隨發(fā)育時程變化起到雙向調(diào)節(jié)的作用,在胚胎干細(xì)胞早期激活Wnt信號通路,可促進(jìn)中胚層發(fā)育和心肌細(xì)胞分化[7]。先天性心臟病全基因組數(shù)據(jù)顯示,Wnt通路的異常是散發(fā)性先天性心臟病的高風(fēng)險因素,經(jīng)典Wnt信號通路包括Wnt蛋白、Wnt受體、Dsh/Dvl蛋白、β-catenin、GSK-3β、TGF、APC蛋白等,該通路激活后可在以GSK-3β為主的調(diào)節(jié)作用下解聚β-catenin降解復(fù)合體,從而使低磷酸化β-catenin在胞質(zhì)中積累,轉(zhuǎn)移入細(xì)胞核內(nèi)后調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)[8]。Wnt信號通路是否參與了TCE導(dǎo)致的心臟發(fā)育毒性尚不明確,本課題立足實驗室前期科研積累,以斑馬魚心臟胚胎發(fā)育為模型,探討Wnt信號通路在三氯乙烯心臟發(fā)育毒性中的作用,為尋找干預(yù)靶點提供研究依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 主要試劑

        三氯乙烯TCE(CAS79-01-6,純度99%,購于Adamas-beta上??偣?; CHIR99021(6-[2-[4-(2,4-二氯苯基)-5-(4-甲基-1H-咪唑-2-基)嘧啶-2-基氨基]乙基氨基]吡啶-3-甲腈, CAS252917-06-9,純度>98%,購于Priceton公司);XAV-939(3,5,7,8-四氫-2-[4-(三氟甲基)苯基]-4H-噻喃并[4,3-D]嘧啶-4-酮CAS 284028-89-3,純度>98%,購于Selleck公司);TRIzol購自天根生化有限公司;cDNA Synthesis MasterMix試劑盒購自BioMIGA公司;SYBR Select Master Mix, 購自TM Applied Biosystems公司。

        1.2 斑馬魚胚胎培養(yǎng)

        斑馬魚胚胎來自國家斑馬魚資源中心,飼養(yǎng)于系統(tǒng)養(yǎng)殖水中,恒溫28℃,每隔24 h更換養(yǎng)殖水,并分別加入相應(yīng)藥物,進(jìn)行如下分組:DMSO組、DMSO+CHIR、DMSO+XAV組、TCE處理組、TCE+CHIR組以及TCE+XAV組。其中 CHIR為Wnt信號通路激活劑,濃度為1 μmol/L;XAV為Wnt信號通路抑制劑,濃度為0.3 μmol/L;TCE的處理濃度為7.6 nmol/L(1 ppb)、76 nmol/L(10 ppb)、760 nmol/L(100 ppb);TCE、CHIR和XAV均溶于DMSO中。經(jīng)過換算保證對照組和各處理組中DMSO濃度一致,均不超過5‰(前期的研究結(jié)果顯示,DMSO在此濃度不引發(fā)斑馬魚胚胎發(fā)育異常)[9]。

        1.3 心臟發(fā)育形態(tài)觀察

        取出已培養(yǎng)72 hpf(hours post-fertilization 受精后小時)的斑馬魚胚胎,恒溫體式鏡下記錄心臟發(fā)育情況,拍照,錄像評價血流循環(huán),統(tǒng)計心臟畸形率和畸形類別。

        1.4 斑馬魚心臟富集

        注射器針頭剝離斑馬魚胚胎心臟,熒光顯微鏡下檢查心臟特異性綠色熒光蛋白,確認(rèn)心臟剖取完整性,用<10 μl的移液槍小心吸取剝離好的斑馬魚胚胎心臟置于放于冰上的1.5 ml離心管(預(yù)置350 μl裂解液)中,重復(fù)此項操作至該組全部斑馬魚胚胎心臟剝離完畢(實驗組和對照組分別60個斑馬魚胚胎,每次實驗重復(fù)3次)。

        1.5 表達(dá)芯片及分析

        提取細(xì)胞總RNA,檢測RNA質(zhì)量,熒光素標(biāo)記后與安捷倫斑馬魚表達(dá)譜芯片雜交,并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,差異基因篩選標(biāo)準(zhǔn)為變化幅度>2為上調(diào)基因,<-2即為下調(diào)基因。Go(gene ontology)分析統(tǒng)計靶基因個數(shù),并進(jìn)行Pathway顯著性分析,集中分析與心臟發(fā)育相關(guān)的信號通路(該部分實驗由上海歐易有限公司協(xié)助完成)。

        1.6 實時熒光定量PCR

        TRIzol提取RNA后,用cDNA Synthesis MasterMix試劑盒逆轉(zhuǎn)錄為cDNA,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物見表1. 以熒光定量PCR儀(ABI7500,購自Applied Biosystems 公司)檢測,以GAPDH為內(nèi)參,以2-ΔΔCt方法進(jìn)行差異分析(計算相對量)。

        Tab.1Primer sequences for quantitative real-time PCR

        GeneForwardReverseAxin2GGACACTTCAAGGAACAACTACCACTTTGCCGAGGATTTTGCCSox9bTGACGAGTTGTTCTCCAGAGAGGCCACACGTCTATAACCCNkx2.5GCTTTTACGCGAAGAACTTCCGATCTTCACCTGTGTGGAGGGapdhGACGCTGGTGCTGGTATTGCTCTACTCCTTGGAGGCCATGTGT

        1.7 統(tǒng)計學(xué)處理

        2 結(jié)果

        2.1 三氯乙烯對斑馬魚胚胎心臟發(fā)育的影響

        與對照組相比,斑馬魚胚胎在TCE暴露72 h出現(xiàn)顯著的心臟發(fā)育畸形(圖1)。TCE處理組的斑馬魚胚胎心臟出現(xiàn)心房心室比例異常、環(huán)化不全,心包腫大等嚴(yán)重畸形。與control組(畸形率:4.59%±0.65%)相比,TCE10 ppb組(畸形率:9.69%± 0.82%),TCE100ppb組(畸形率:15.03%± 2.89%)斑馬魚胚胎心臟畸形表型比例顯著增加。此外高濃度劑量組,斑馬魚胚胎心臟出現(xiàn)卵黃囊出血、血液循環(huán)速度減慢以及心搏無力等更多畸形表型。

        Fig.1Cardiac defects of zebrafish embryos exposed to TCE with different concentrations Arrows indicate heart malformations

        2.2 三氯乙烯影響心臟組織特異性轉(zhuǎn)錄

        剖取心臟組織,在熒光顯微鏡下確認(rèn)心臟剝離(圖2A)。提取RNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,TCE處理導(dǎo)致1221基因表達(dá)上調(diào),1531基因表達(dá)下調(diào)(圖2B)。進(jìn)行GO分析,顯示細(xì)胞外基質(zhì)重塑相關(guān)事件的通路受到顯著影響,其中Wnt信號通路多個相關(guān)基因(NKX2.5, SOX9b及Axin2等)表達(dá)被下調(diào)(圖2C)。

        Fig.2The mRNA array profiling analysis of TCE treatment on heart development

        A: Dissection of heart tissue, GFP labeled heart under fluorescence microscope; B: mRNA profiling analysis; C: Target genes located in Wnt signaling pathway

        2.3 三氯乙烯干擾Wnt信號通路相關(guān)基因表達(dá)

        結(jié)合基因表達(dá)芯片結(jié)果,進(jìn)一步檢測Wnt信號通路中的幾個相關(guān)靶基因表達(dá)水平。Q-PCR定量結(jié)果表明,N kx2.5, Sox9b及Axin2基因表達(dá)水平顯著降低,提示三氯乙烯抑制Wnt信號通路相關(guān)基因表達(dá)(表2)。

        GroupN kx2.5Axin2Sox9bControl1.02±0.060.99±0.021.02±0.051 ppb0.67±0.04?0.46±0.05?0.64±0.05??10 ppb0.37±0.09??0.43±0.06??0.25±0.08??100 ppb0.27±0.05??0.28±0.11??0.16±0.09??

        *P<0.05,**P<0.01vscontrol

        2.4 Wnt信號通路在三氯乙烯心臟發(fā)育中的毒性作用

        為進(jìn)一步驗證Wnt信號通路參與介導(dǎo)三氯乙烯致心臟發(fā)育中的毒性,我們在三氯乙烯10 ppb組加入Wnt信號通路激活劑CHIR(1 μmol/L),檢測72 hpf后斑馬魚胚胎心臟發(fā)育情況。結(jié)果顯示,心包增大、心臟線性化、心搏無力等心臟畸形表型情況明顯改善(圖3)。但在DMSO+CHIR與DMSO組畸形率無顯著差異,說明CHIR本身對心臟發(fā)育無明顯影響。而Wnt信號通路抑制劑XAV(0.3 μmol/L),本身即可顯著增加心臟畸形,與三氯乙烯聯(lián)合暴露更引起90%以上的胚胎心臟畸形(表3)。

        Fig.3Wnt signaling pathway is involved in the cardiac developmental toxicity induced by TCE Arrows indicate heart malformations

        Tab. 3 The effects of TCE on heart

        *P<0.05vscontrol;#P<0.05vscontrol +XAV

        3 討論

        先天性心臟病作為一種極為常見的先天畸形疾病,是由于胚胎發(fā)育時期胎體在遺傳及環(huán)境等多種因素單獨或者聯(lián)合作用下,引發(fā)心臟及大血管的形成障礙或發(fā)育異常而導(dǎo)致胚胎心血管系統(tǒng)解剖功能出現(xiàn)異常。在體外細(xì)胞實驗中,本實驗室和其他研究組已有多個報道顯示,TCE孕期三氯乙烯暴露可顯著影響胚胎心臟發(fā)育,盡管相關(guān)信號通路尚不明確,但多數(shù)集中在心肌發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)受到干擾[10-11]。但細(xì)胞水平無法客觀反映整體動物代謝以及復(fù)合毒性的影響,如TCE可能的代謝中間物TCA的影響[12]?;诖?,本研究利用發(fā)育模式生物斑馬魚作為實驗對象,研究整體水平TCE的心臟發(fā)育毒性。斑馬魚和人類基因有著87%的高度同源性,在研究生命科學(xué)的基礎(chǔ)問題,胚胎和組織器官發(fā)育的分子機(jī)制,以及建立毒理學(xué)模型等方面都得到廣泛的應(yīng)用[13]。特別值得注意的是斑馬魚早期胚胎不依賴母體血液循環(huán),體外發(fā)育便于檢測,避免由于早期發(fā)育毒性所導(dǎo)致胚胎致死而錯過研究敏感時期。有研究證實,TCE濃度在10 ppb時即可引起斑馬魚胚胎血管網(wǎng)的減少和斑馬魚胚胎心臟F-肌動蛋白的分解失衡[14]。我們的研究結(jié)果顯示,TCE暴露導(dǎo)致斑馬魚胚胎心臟出現(xiàn)嚴(yán)重畸形,主要表現(xiàn)在心臟環(huán)化不完全,心房心室體積比例異常,圍心腔腫大等畸形。在既往的多數(shù)TCE染毒實驗中,由于早期胚胎組織分離操作困難以及缺乏特異性高效的鑒別標(biāo)準(zhǔn),多數(shù)心臟發(fā)育毒性研究集中在整個胚胎的分析,這無法排除非心肌組織基因表達(dá)的干擾[15]。在本研究中采用心臟特異性轉(zhuǎn)基因斑馬魚,在熒光顯微鏡輔佐下,有效的富集心臟組織,這極大提高下游分析信號通路及基因表達(dá)的組織特異性,為后期相關(guān)的干擾治療提供精準(zhǔn)的參考信息。

        大量的研究發(fā)現(xiàn),Wnt信號通路在胚胎的心臟發(fā)育過程中至關(guān)重要,胚胎期由于環(huán)境暴露而改變Wnt信號通路可導(dǎo)致心臟畸形[16]。本研究發(fā)現(xiàn)TCE暴露導(dǎo)致的斑馬魚心臟畸形,在轉(zhuǎn)錄水平主要反映在影響細(xì)胞代謝以及形態(tài)重建,結(jié)合到觀察到形態(tài)畸形以及Wnt在細(xì)胞形態(tài)重建中的作用,該實驗著重研究Wnt信號通路變化。本研究結(jié)果表明,Wnt信號通路多個靶基因(N kx2.5, Sox9b, Axin2)受到抑制。N kx2.5在胚胎發(fā)育心臟祖細(xì)胞中高表達(dá),而后在成年的心臟中維持較高水平,N kx2.5異常表達(dá)可導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡數(shù)目增加和心功能障礙[17]。N kx2.5的顯性突變在許多先天性心臟病中被報道,以房及室間隔缺損,法洛四聯(lián)癥為主要表型。N kx2.5參與心臟形成,在環(huán)化,心腔分化,間隔形成中起重要作用[18]。本研究結(jié)果顯示N kx2.5顯著減低,這提示心肌祖細(xì)胞分化可能受到影響,這與之前我們在細(xì)胞水平的研究結(jié)果一致[6]。后期我們?nèi)孕鑼 kx2.5影響祖細(xì)胞分化的分子機(jī)制進(jìn)一步明確。

        SOX和Axin2也都參與Wnt相關(guān)通路,經(jīng)典途徑中,GSK-3β通過Axin和APC結(jié)合形成的蛋白復(fù)合物磷酸化β-catenin而促使其經(jīng)蛋白酶體降解。Wnt信號存在激活Wnt-Fzd信號通路, GSK-3β受到抑制,使得胞內(nèi)游離β-catenin蛋白水平升高,繼而進(jìn)入核內(nèi)激活轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)[19]。CHIR為GSK-3的抑制劑,可以模仿經(jīng)典Wnt信號激活。在本研究中觀察到,加入CHIR可對心肌起到明顯的保護(hù)作用,能夠緩解TCE暴露下導(dǎo)致的心臟發(fā)育畸形,提示TCE暴露導(dǎo)致Wnt信號通路受抑制參與TCE介導(dǎo)心臟發(fā)育毒性的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步驗證,我們加入XAV939, XAV939是小分子選擇性抑制劑,通過穩(wěn)定Axin和APC復(fù)合物促進(jìn)β-catenin降解。本研究表明XAV本身即顯著增加斑馬魚胚胎心臟畸形,XAV與TCE聯(lián)合暴露更加劇了斑馬魚胚胎心臟畸形表型。

        三氯乙烯通過抑制Wnt信號通路引起心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)改變,導(dǎo)致斑馬魚胚胎心臟畸形。本研究利用斑馬魚為模型,富集心臟,進(jìn)行組織特異性信號通路分析,為水環(huán)境污染物TCE介導(dǎo)心臟發(fā)育毒性提供了新的研究靶點。

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