羅紫蝶,郭少娟,曾 晨,張?jiān)躅:?,楊立?/p>
中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012
鎘是環(huán)境中具有極強(qiáng)毒性的重金屬污染物之一,屬于人體非必需的微量金屬,被廣泛用于金屬冶煉、塑料制造、涂料及電池等行業(yè)[1-2]. 聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署把鎘列為重點(diǎn)環(huán)境污染物[3]. 鎘通常以離子形式廣泛存在于生產(chǎn)和生活環(huán)境中. 工業(yè)生產(chǎn)是鎘人為排放的主要來(lái)源,電子拆解地PM10中污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)大部分由鎘引起[4]. 我國(guó)土壤鎘污染較嚴(yán)重[5-6],長(zhǎng)江流域及東南沿海地區(qū)的水稻田鎘含量平均值為0.52 mg/kg[7],超過(guò)GB 15618—2018《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》標(biāo)準(zhǔn)限值(0.30 mg/kg). 鎘不易被降解,會(huì)隨廢水、廢氣不斷釋放到環(huán)境中,導(dǎo)致環(huán)境負(fù)擔(dān)不斷增加,并可進(jìn)入食物鏈.
鎘一般通過(guò)呼吸、皮膚吸收和飲食進(jìn)入生物體并產(chǎn)生累積[8],從而對(duì)生物體產(chǎn)生毒性效應(yīng). 長(zhǎng)期暴露于鎘可導(dǎo)致肝毒性[9]、腎毒性[10]、骨骼毒性[11]及癌癥[12]. 研究表明,孕期接觸鎘不但影響胎盤(pán)的發(fā)育和功能,還會(huì)通過(guò)胎盤(pán)進(jìn)入胎兒體內(nèi),干擾胎兒的正常發(fā)育[13],影響語(yǔ)言和認(rèn)知能力[14]. 低劑量的鎘導(dǎo)致小鼠腸道微生物群改變,加速肝臟脂質(zhì)代謝,造成終生代謝異常[15]. 長(zhǎng)期鎘溶液暴露將激活玉米螟幼蟲(chóng)金屬硫蛋白基因Mtn的表達(dá),抑制抗氧化基因Cat和GPx的表達(dá);同時(shí)顯著提高幼蟲(chóng)的脂質(zhì)過(guò)氧化水平,降低幼蟲(chóng)的發(fā)育速度和成活率[16]. 鎘暴露導(dǎo)致黑腹果蠅幼蟲(chóng)體長(zhǎng)縮短、體重減少,抑制baz和tj等與發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá),這些影響會(huì)傳遞給未暴露的后代[17].
斑馬魚(yú)胚胎具有體外發(fā)育、發(fā)育速度快和胚胎透明等優(yōu)點(diǎn)[18],廣泛用于研究污染物對(duì)生物體的發(fā)育毒性[19]. 斑馬魚(yú)胚胎對(duì)鎘的敏感性較強(qiáng),暴露于3.00 mg/L鎘96 h導(dǎo)致斑馬魚(yú)胚胎孵化延遲、小頭、心率降低、體節(jié)缺失,且對(duì)外界刺激不敏感等[20]. 鎘暴露抑制斑馬魚(yú)胚胎atp2b1a、pth1、stc1等與Ca2+調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá),影響胚胎的耳石發(fā)育,導(dǎo)致游泳活動(dòng)受損[21]. 鎘暴露影響斑馬魚(yú)胚胎中后腦發(fā)育,抑制ngn1、zash1a、zash1b和NeuroD的表達(dá),影響神經(jīng)元分化,最終產(chǎn)生神經(jīng)毒性[22]. 暴露于35.60 μmol/L鎘會(huì)抑制nanos、piwi、dazl等生殖調(diào)控基因的表達(dá),影響早期生殖細(xì)胞的數(shù)量和遷移,造成生殖毒性[23-24].
鎘具有胚胎發(fā)育毒性,然而鎘產(chǎn)生發(fā)育毒性的關(guān)鍵因素尚不明晰. 因此,該研究在前期試驗(yàn)[25]基礎(chǔ)上,用5個(gè)不同鎘濃度暴露的斑馬魚(yú)胚胎分析鎘暴露的濃度-效應(yīng)關(guān)系. 選取與氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)錄翻譯和早期神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的prdx1、gstp1.2、atf3、jdp2b、hsp70l、hsp90aa1.1、eif4a1b和fabp7a基因,結(jié)合原位雜交和定量PCR方法,探究暴露于7.50 mg/L鎘對(duì)上述基因在斑馬魚(yú)胚胎組織和器官表達(dá)的影響,揭示鎘影響早期胚胎發(fā)育過(guò)程的分子事件,以期為闡明鎘產(chǎn)生胚胎發(fā)育毒性的機(jī)制提供依據(jù).
野生AB型斑馬魚(yú)購(gòu)于中國(guó)國(guó)家斑馬魚(yú)研究中心,培養(yǎng)于中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)(北京佰安智能科技有限公司). 培養(yǎng)條件:溫度為(28.5±0.5) ℃;pH為7.0±0.5;光暗循環(huán)為14 h/10 h;早晚喂食豐年蝦兩次. 產(chǎn)卵前一天,將雄魚(yú)和雌魚(yú)以2∶1的比例置于產(chǎn)卵盒中收集受精卵. 胚胎用ISO15088標(biāo)準(zhǔn)配制的水溶液(294.00 mg/L CaCl2·2H2O, 123.30 mg/L MgSO4·7H2O, 63.30 mg/L NaHCO3, 5.50 mg/L KCl)培養(yǎng). 斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育階段按照斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育分期[26]進(jìn)行區(qū)分.
儀器包括體視顯微鏡(日本尼康公司,SMZ 745型)、熒光顯微鏡(德國(guó)徠卡顯微系統(tǒng)有限公司,M165 FC型)、常規(guī)PCR儀(美國(guó)BIO-RAD)、熒光定量PCR儀(美國(guó)Thermo,7300 Plus型). 試劑包括CdCl2(西亞試劑)、限制性內(nèi)切酶CeuⅠ/SacⅠ/SacⅡ及T7/SP6轉(zhuǎn)錄酶(美國(guó)Sigma)、DNA聚合酶和定量PCR試劑盒(美國(guó)Promega)、TRLzol(美國(guó)Ambion)、DIG-RNA及anti-DIG-AP、硝基藍(lán)四氯唑(NBT)、4-氯-3-酰磷酸溴(BCIP,瑞士Roche).
1.3.1 基因克隆
用NCBI引物設(shè)計(jì)方法獲取擴(kuò)增prdx1、gstp1.2、atf3、jdp2b、hsp70l、hsp90aa1.1、eif4a1b、fabp7a基因的引物. 引物由北京金唯智測(cè)序公司制備. 將上述基因擴(kuò)增、回收DNA,克隆到T-載體上(參照Promega的標(biāo)準(zhǔn)方法). 挑選并培養(yǎng)陽(yáng)性細(xì)菌,提取質(zhì)粒,測(cè)序驗(yàn)證目的基因.
1.3.2 胚胎暴露
按照OECD236標(biāo)準(zhǔn)方法,設(shè)置5個(gè)濃度,計(jì)算鎘的半致死濃度(LC50). 根據(jù)LC50數(shù)據(jù),設(shè)置暴露組CdCl2濃度為7.50 mg/L,該濃度能產(chǎn)生可觀察的發(fā)育異常,同時(shí)導(dǎo)致胚胎死亡率低于5%. 胚胎于生物培養(yǎng)箱28.5 ℃下培育2~4 h后,挑選發(fā)育正常的胚胎進(jìn)行暴露試驗(yàn),暴露時(shí)間為4~48 hpf (hours post fertilization, 受精后小時(shí)).
1.3.3 原位雜交
按照實(shí)驗(yàn)室建立的方法[27]進(jìn)行原位雜交試驗(yàn),即用限制性內(nèi)切酶酶切回收目的基因,用SP6/T7轉(zhuǎn)錄酶合成插入地高辛標(biāo)記的RNA探針,溶解于50 μL雜交液,并保存于—20 ℃?zhèn)溆?
收集48 hpf的對(duì)照和鎘暴露斑馬魚(yú)胚胎(16~25個(gè)),去除絨毛膜,BT-fix溶液固定24 h,經(jīng)甲醇脫水后,保存于甲醇溶液,—20 ℃保存?zhèn)溆? 固定胚胎經(jīng)清洗,蛋白酶K處理后,加入制備的探針,65 ℃雜交16 h. 梯度濃度SSC緩沖液清洗,加入anti-DIG-AP后4 ℃培育16 h. 用1×PBST清洗后,使用BCIP/NBT溶液染色. 體視顯微鏡拍攝染色照片.
1.3.4 定量PCR
收集48 hpf的對(duì)照和鎘暴露的斑馬魚(yú)(每組60個(gè)),TRLzol提取總RNA,逆轉(zhuǎn)錄成cDNA,每組3個(gè)生物學(xué)重復(fù),進(jìn)行定量PCR,反應(yīng)條件:95 ℃維持2 min;95 ℃維持30 s、55 ℃維持30 s、72 ℃維持1 min,循環(huán)30次;72 ℃維持5 min,4 ℃維持30 s.引物序列如表1所示.
表1 定量PCR引物序列Table 1 Gene quantitative PCR primer sequences
用IBM SPSS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算鎘的LC50及95%置信區(qū)間. 選擇在斑馬魚(yú)胚胎中表達(dá)量穩(wěn)定的GAPDH基因作為內(nèi)參基因,用2—△△Ct相對(duì)定量計(jì)算方法定量分析基因表達(dá)差異. 通過(guò)GraphPad Prism 8軟件,采用One-way ANOVA對(duì)目的基因的表達(dá)差異進(jìn)行分析(P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著).
通過(guò)暴露試驗(yàn),計(jì)算得到鎘暴露對(duì)斑馬魚(yú)胚胎120 hpf的半致死濃度,并通過(guò)體視顯微鏡觀察到斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育的毒性效應(yīng). 根據(jù)3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制鎘的濃度-效應(yīng)關(guān)系曲線〔見(jiàn)圖1(a)〕,當(dāng)胚胎死亡率達(dá)到50%時(shí),對(duì)應(yīng)的鎘濃度為15.20 mg/L. 暴露于20.00 mg/L鎘4~48 hpf的斑馬魚(yú)胚胎存在頭部和眼睛變小、體長(zhǎng)縮短、軀干彎曲、卵黃囊異常以及心臟發(fā)育異常等畸形形態(tài)〔見(jiàn)圖1(b)(c)〕.
圖1 鎘暴露對(duì)斑馬魚(yú)胚胎的影響Fig.1 Effects of cadmium on zebrafish embryos
選擇暴露于7.50 mg/L鎘的胚胎分析暴露48 hpf后,基因在斑馬魚(yú)胚胎組織和器官中的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)鎘主要誘導(dǎo)基因在神經(jīng)組織、視網(wǎng)膜、晶狀體,嗅球、側(cè)線、心臟以及皮膚等組織和器官中異常表達(dá) .對(duì)照組胚胎prdx1基因主要在下丘腦表達(dá)〔見(jiàn)圖2和圖3(a)〕,鎘暴露導(dǎo)致prdx1基因在嗅球、側(cè)線器官和上皮細(xì)胞的異常表達(dá)〔見(jiàn)圖2和圖3(a′)〕. 相較于對(duì)照,鎘導(dǎo)致gstp1.2基因在下頜和側(cè)線及血細(xì)胞中表達(dá)異常〔見(jiàn)圖2和圖3(b)(b′)〕. 鎘誘導(dǎo)atf3基因在中后腦間隔、心包區(qū)域和嗅球異常表達(dá),在胸鰭原基和尾鰭原基中表達(dá)量上升〔見(jiàn)圖2和圖3(c)(c′)〕.jdp2b基因在鎘暴露胚胎的上皮細(xì)胞、胸鰭原基、心包區(qū)域、側(cè)線和尾鰭原基處表達(dá)異?!惨?jiàn)圖2和圖3(d)(d′)〕.鎘誘導(dǎo)hsp70l基因在嗅球和體節(jié)肌肉異常表達(dá),同時(shí)在眼睛晶狀體和脊索中表達(dá)量上升〔見(jiàn)圖2和圖3(e)(e′)〕.在鎘暴露的胚胎中,hsp90aa1.1基因在胚胎的嗅球、眼睛晶狀體和下頜肌肉表達(dá)異常,同時(shí)在中后腦間隔、胸鰭肌肉和體節(jié)肌肉中表達(dá)上升〔見(jiàn)圖2和圖3(f)(f′)〕.鎘導(dǎo)致eif4a1b在頂蓋、視網(wǎng)膜、晶狀體、下頜、胸鰭原基和體節(jié)肌肉中異常表達(dá)〔見(jiàn)圖2和圖3(g)(g′)〕.鎘誘導(dǎo)fabp7a基因在端腦、中后腦、延髓以及眼睛表達(dá)量上升,在脊髓和脊索出現(xiàn)異常表達(dá)〔見(jiàn)圖2和圖3(h)(h′)〕.
圖2 對(duì)照組和鎘暴露組斑馬魚(yú)胚胎基因表達(dá)情況Fig.2 The gene expression organs of zebrafish embryos in control and exposed to cadmium
圖3 鎘暴露組斑馬魚(yú)胚胎基因頭部異常表達(dá)現(xiàn)象Fig.3 The changes in gene expression at anterior part of zebrafish embryos
與對(duì)照組相比,鎘暴露導(dǎo)致prdx1、gstp1.2、atf3、jdp2b、hsp70l、eif4a1b和fabp7a基因相對(duì)表達(dá)量顯著上調(diào),分別上調(diào)2.31、3.58、2.08、3.42、5.27、1.42和2.06倍(見(jiàn)圖4).hsp70l基因主要參與應(yīng)激反應(yīng)和對(duì)金屬離子的反應(yīng)[28],gstp1.2和prdx1基因主要參與抗氧化過(guò)程[29],atf3和jdp2b基因具有DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性[30],eif4a1b基因具有翻譯起始因子活性[30],fabp7a基因在早期神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用[31]. 這些基因相對(duì)表達(dá)量的顯著上調(diào)表明,鎘影響斑馬魚(yú)胚胎的氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)錄翻譯和早期神經(jīng)發(fā)育等過(guò)程.
圖4 鎘暴露對(duì)斑馬魚(yú)胚胎基因相對(duì)表達(dá)量的影響Fig.4 The relative expression levels of genes induced by cadmium on zebrafish embryos
通過(guò)研究鎘對(duì)8個(gè)基因在斑馬魚(yú)胚胎組織和器官表達(dá)的影響,發(fā)現(xiàn)鎘不但誘導(dǎo)基因在神經(jīng)組織、視網(wǎng)膜、晶狀體,嗅球、側(cè)線、心臟以及皮膚等組織和器官中異常表達(dá),而且影響基因在相應(yīng)組織和器官中的表達(dá)水平,表明鎘影響斑馬魚(yú)胚胎的多個(gè)組織和器官的發(fā)育.
研究表明,鎘主要通過(guò)芬頓反應(yīng)置換金屬離子,產(chǎn)生多余的ROS,進(jìn)而造成氧化應(yīng)激[32],并通過(guò)干擾體內(nèi)鈣離子運(yùn)輸,影響蛋白質(zhì)正常生理功能等[33]產(chǎn)生毒性效應(yīng). 筆者研究的8個(gè)基因中,有5個(gè)基因在鎘暴露后的斑馬魚(yú)胚胎中于嗅球處異位表達(dá),并且定量PCR結(jié)果顯示,其中4個(gè)基因在鎘暴露后表達(dá)量顯著升高. 這5個(gè)基因包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因atf3[34],氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因atf3[35]、gstp1.2[29]、prdx1[36-37]、hsp70l[38]、hsp90aa1.1[39],免 疫 調(diào) 控 相 關(guān) 基 因atf3[40]、prdx1[41]及血管形成相關(guān)基因prdx1[42].atf3基因?qū)儆诹涟彼崂溵D(zhuǎn)錄因子家族,哺乳動(dòng)物中ATF3在受到毒性傷害的組織、癲癇發(fā)作后的大腦等細(xì)胞應(yīng)激部位中表達(dá)顯著[43].gstp1.2基因在多種細(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮重要作用,包括親電子化合物的催化和脫氧、氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和致癌作用[44],主要參與代謝、解毒并保護(hù)細(xì)胞免受DNA損傷和癌變[45-46].prdx1基因也是重要的抗氧化基因,其維護(hù)基因穩(wěn)定性及防止突變[36],并且參與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、免疫響應(yīng)及細(xì)胞凋亡等過(guò)程[37,41].hsp70l介導(dǎo)多種生物過(guò)程,參與斑馬魚(yú)的熱適應(yīng)、長(zhǎng)期存活[47]和低溫應(yīng)激過(guò)程[48]. 研究發(fā)現(xiàn),低溫刺激顯著增加雞心臟和免疫器官Hsp70 mRNA的表達(dá)[49],具有保護(hù)脾臟和盲腸受到氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥損傷的作用[50].hsp90aa1.1基因?qū)儆跓嵝菘说鞍准易?,參與早期肌肉發(fā)育和多種蛋白質(zhì)的折疊、激活和組裝[51],以及對(duì)金屬離子的反應(yīng)[52]. 研究[53]發(fā)現(xiàn),鎘暴露激活prdx1和hsp70等與氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá),造成斑馬魚(yú)嗅覺(jué)損傷,導(dǎo)致斑馬魚(yú)捕食及抗捕食者的行為缺陷. 鎘暴露會(huì)破壞嗅覺(jué)上皮基底細(xì)胞層,降低大腦區(qū)域中的膜流動(dòng)性進(jìn)而影響嗅覺(jué)[54].
atf3、jdp2b基因在斑馬魚(yú)胚胎的心包區(qū)域異常表達(dá).jdp2b基因具有DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性. 哺乳動(dòng)物中JDP2在抑制由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶引起的組蛋白乙?;^(guò)程中具有重要作用,其可以通過(guò)形成同型二聚體或招募組蛋白去乙?;窩RE,并與TRE DNA元件結(jié)合形成異型二聚體來(lái)抑制轉(zhuǎn)錄[55],也可以通過(guò)與CHOP10結(jié)合[56]或作為類固醇激素受體[57]激活轉(zhuǎn)錄. 轉(zhuǎn)基因小鼠研究[58]發(fā)現(xiàn),JDP2過(guò)表達(dá)會(huì)引起小鼠心房擴(kuò)張和輕微心室增厚,導(dǎo)致4周齡jdp2轉(zhuǎn)基因小鼠的死亡率明顯上升. 作為JDP2同系物的ATF3,其過(guò)表達(dá)也會(huì)引起小鼠心臟肥大和功能障礙. 鎘誘導(dǎo)atf3、jdp2b在胸鰭原基和尾鰭原基表達(dá)量上升,誘導(dǎo)jdp2b和gstp1.2基因在側(cè)線器官異常表達(dá),說(shuō)明鎘可能影響斑馬魚(yú)胸鰭、尾鰭和側(cè)線器官的發(fā)育. 斑馬魚(yú)的側(cè)線器官主要感受水流變化,由毛細(xì)胞和支持細(xì)胞組成,Wnt、FGF和Notch信號(hào)通路是斑馬魚(yú)側(cè)線發(fā)育的主要調(diào)控因子[59]. 筆者研究中jdp2b與gstp1.2基因在白細(xì)胞處出現(xiàn)異常表達(dá),近期研究[60]發(fā)現(xiàn),甲基汞處理的斑馬魚(yú)胚胎也存在白細(xì)胞異常表達(dá)的現(xiàn)象,并且該研究發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞參與側(cè)線發(fā)育過(guò)程.jdp2b與gstp1.2基因在側(cè)線和白細(xì)胞中的異常表達(dá)與斑馬魚(yú)胚胎側(cè)線發(fā)育的關(guān)系需進(jìn)一步研究.
鎘誘導(dǎo)eif4a1b、hsp90aa1.1基因在眼睛晶狀體異常表達(dá). eIF4A是一種ATPase/RNA解旋酶,參與翻譯過(guò)程,在新生小鼠的晶狀體纖維細(xì)胞中高表達(dá)[61].研究[62]顯示,hsp90α基因參與魚(yú)類發(fā)育過(guò)程中晶狀體細(xì)胞的凋亡過(guò)程. 已有研究[63-64]證明,鎘通過(guò)阻斷神經(jīng)嵴的形成、抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)元的分化和破壞視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突形成等過(guò)程影響斑馬魚(yú)胚胎眼睛的發(fā)育. 鎘誘導(dǎo)eif4a1b和hsp90aa1.1基因在晶狀體中的異常表達(dá)與斑馬魚(yú)晶狀體發(fā)育和視覺(jué)功能的關(guān)系需要進(jìn)一步研究.fabp7a基因在斑馬魚(yú)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用[31],其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視網(wǎng)膜中表達(dá),Notch信號(hào)通過(guò)維持fabp7a基因的表達(dá)來(lái)調(diào)控神經(jīng)周圍神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育[65]. 此外,該基因也一定程度上參與了眼睛發(fā)育過(guò)程[66]. 鎘暴露導(dǎo)致其表達(dá)量顯著上調(diào),鎘是否通過(guò)影響fabp7a基因在中樞神經(jīng)的表達(dá)進(jìn)而影響神經(jīng)功能,需進(jìn)一步研究.
a) 20.00 mg/L鎘暴露導(dǎo)致斑馬魚(yú)胚胎出現(xiàn)小頭、小眼、軀干彎曲、心包水腫、卵黃囊異常以及死亡等異常,計(jì)算得到鎘暴露120 hpf后斑馬魚(yú)胚胎的LC50濃度為15.20 mg/L.
b) 7.50 mg/L鎘誘導(dǎo)prdx1、gstp1.2、atf3、jdp2b、hsp70l、eif4a1b和fabp7a基因的表達(dá)量顯著上升,說(shuō)明鎘可能影響斑馬魚(yú)胚胎的氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)錄翻譯和早期神經(jīng)發(fā)育等過(guò)程.
c) 7.50 mg/L鎘誘導(dǎo)基因在神經(jīng)組織、視網(wǎng)膜、晶狀體、嗅球、側(cè)線、心臟以及皮膚等組織和器官異常表達(dá),說(shuō)明鎘可能通過(guò)影響基因的表達(dá)區(qū)域,干擾斑馬魚(yú)胚胎的多個(gè)組織和器官的發(fā)育,進(jìn)而造成嗅覺(jué)、視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)等功能缺陷.