细胞适应性反应是指细胞受到低剂量的电离辐射或环境化学毒素处理后,会对随后的大剂量攻击性处理产生耐受性,减轻攻击剂量引起的损伤。人们对低剂量电离辐射所诱导的适应性反应已开展了大量研究,获得了一些重要的发现,部分掌握了辐射适应性反应的发生机制。然而,在物理化学因素诱导的细胞交叉适应性反应方面尚缺乏足够的信息。除电离辐射外,环境中还存在许多由于人类活动所产生的化学污染物,是危害人类健康的重要因素,而不同物理化学因子之间则可能具有交叉适应性或协同增强作用,在评价环境因子对人类健康的影响时必须综合考虑物理化学因子的联合暴露。作为一种具有广泛工业应用的重金属,镉同时也是一种常见的环境毒物,在环境中的半衰期长达15-20年,这使得镉成为环境毒理学研究的热点。因此,研究镉诱导的交叉适应性及其作用机制将有助于我们深入了解环境物理化学因子影响人类健康的分子机制,为正确评价环境因子对人类健康的影响、重建环境因子的致癌危险性评价新模式提供理论支持。本论文首先以具有不同DNA修复能力的三株同源仓鼠卵巢母细胞为对象,采用不同剂量的氯化镉(CdCl2)和γ-射线,以微核形成率为检测指标,研究镉诱导三株细胞系对大剂量镉和电离辐射产生交叉适应性反应的程度,探讨DNA修复能力、预处理剂量和攻击剂量对细胞适应性反应的影响。研究ATM和H2S是否参与镉诱导的适应性反应,探索这两种信号分子在适应性反应中的作用,为研究镉诱导的细胞交叉适应性反应的分子机制奠定基础。其次,采用人类肝细胞进一步研究了镉诱导下细胞对电离辐射交叉适应性反应的分子机制,检测外源性H2S供体NaHHS和内源性H2S合成酶抑制剂对该适应性反应的影响,检测胞内活性氧水平的变化以及内源性H2S合成酶CSE和CBS的表达情况,探讨H2S及其内源性合成关键酶在镉诱导的适应性反应中的作用。最后,采用western blot和real-time PCR的方法,研究H2S与ATM. NF-κB以及p-P53之间的关系,探讨H2S参与镉诱导的细胞适应性反应的分子机制。通过对CHO细胞系的研究发现：低浓度镉能够诱导细胞对随后高浓度镉处理或高剂量辐射产生适应性反应。经1μM CdCl2预处理,间隔2h,再给予50μM CdCl2的攻击性处理,三株细胞均能表达十分显著的适应性反应(p<0.01),CHO-9、EM-C11、XR-C1三株细胞的微核率比直接攻击处理组分别降低52%,40%和52%,显示EM-C11细胞的适应性程度低于另外两株细胞。当攻击剂量升至100μM时,1μM CdCl2预处理仅能诱导CHO-9细胞产生适应性反应,而EM-C11和XR-C1细胞无显著适应性反应。对于交叉适应性试验,当攻击剂量为1Gy时,0.1和CdCl2预处理都能够诱导三株细胞产生适应性反应；但当攻击剂量提高至2Gy时,0.1μM CdCl2的预处理仅能诱导CHO-9细胞产生适应性反应；而1μM CdCl2预处理则可诱导CHO-9和EM-C11细胞产生适应性反应,但两株细胞的适应性程度不同,,CHO-9和EM-C11的微核率与攻击处理组相比分别降低22%(p<0.01)和12%(p<0.05)。对于XR-C1细胞,两个预处理剂量都无法诱导其对2Gy攻击剂量照射产生适应性反应。此外,采用PI-3K的抑制剂wortmannin, ATM的抑制剂KU-55933以及合成内源性H2S的抑制剂PPG后,镉诱导的细胞适应性反应均消失,而外源性H2S能够直接诱导CHO-9细胞产生辐射适应性反应。在人肝细胞系中进行的研究结果显示：镉也能在人类细胞中诱导产生适应性反应,且在同样的预处理和攻击处理条件下,低浓度镉可以增加正常人肝细胞对随后高剂量辐射的耐受性,但对肝癌细胞HepaG2所受的辐射损伤无保护作用,提示该反应产生与否可能与细胞的恶性程度有关。此外,ATM同样参与了肝细胞适应性反应的诱导,抑制磷酸化ATM的表达后,Chang氏肝细胞的适应性反应消失。近年来,H2S已被证实是CO和NO以外的第三种内源性气体信号分子。本文研究结果显示,50μM NaHS预处理可以使得受到2Gyγ-射线照射Chang氏细胞的微核率降低32.65%,产生显著的适应性反应(p<0.01),并且该适应性反应的程度与NaHS的浓度有关,75μM NaHS预处理可使得受照射细胞的微核率降低44.85%,表现出更高程度的适应性反应。内源性H2S是由磷酸吡哆醛-5,-磷酸依赖性酶包括CBS和CSE催化含硫氨基酸所产生的,肝细胞中CSE和CBS均有表达。但H2S合成酶CSE受到PPG抑制后,Chang氏细胞的适应性也随后消失,而抑制另一个内源性H2S合成酶CBS则对镉诱导的适应性反应无影响。因此,作为内源性信号因子,H2S参与了镉诱导的细胞适应性反应。检测不同处理后胞内ROS水平发现,50、75、100μM H2S单独处理细胞的ROS水平均有所增高,但仅50μM处理组差异有统计学意义。当细胞受2Gy辐射后,胞内ROS水平上升明显,比空白对照增加2.5倍；当用H2S预处理细胞4h后再给予细胞2Gy照射,发现胞内ROS水平较对照也有所上升,ROS分别增加60%,74%和75%,但显著低于直接照射组水平,仅为其50%左右(p<0.01)。说明H2S预处理显著降低了辐射诱导的ROS水平。Western blot检测结果进一步表明,CSE而非CBS的表达与细胞适应性反应密切相关。单纯2Gy照射和1μM CdCl2处理均上调了CSE的表达,且具有时间依赖性,在处理后12h表达分别上调81%和134%；此外,对于镉诱导发生适应性反应的细胞,其CSE表达也较直接照射组增加一倍左右(p<0.01)。但电离辐射和镉处理均未改变细胞CBS的表达。进一步的实验研究表明,高剂量辐射能够激活并上调ATM激酶和P53蛋白的表达,NF-κB的活性也明显增加。在镉诱导细胞产生适应性反应的过程中,H2S与这些信号分子之间可能存在有相互作用。与直接照射组比较,外源性H2S预处理可降低辐照后即时ATM磷酸化水平,而CSE抑制剂PPG预处理则增强了ATM磷酸化水平。但随着辐照后时间的延长,这两种预处理对磷酸化ATM表达的变化均无影响。Western blot和real-time PCR的结果均显示,ATM抑制剂对辐照后CSE蛋白和mRNA的表达均无显著影响。与单纯照射组相比,外源性H2S预处理可使得P53磷酸化水平降低50%(P<0.01),而PPG则不改变P53磷酸化水平的表达。此外,外源性H2S处理还可降低辐射诱导的活性NF-κB水平(p<0.05),说明H2S对辐照后NF-κB的激活起负调控作用。概括而言,本论文的研究表明,低剂量镉能够诱导细胞对随后攻击性物理化学因子表达适应性或交叉适应性反应,无种属特异性,并且该反应的产生不依赖于细胞的DNA损伤修复能力,但细胞适应性程度的大小与DNA损伤修复能力、预处理和攻击处理剂量相关；相对于DSB, SSB或碱基切除修复(BER)可能在镉诱导的细胞适应性中起主要作用。ATM信号通路是镉诱导的细胞适应性反应的主要信号通路之一；新型气体信号分子H2S通过调节胞内ROS水平参与镉诱导的适应性反应,而CSE的表达上调在镉诱导的适应性反应中起主要作用,但CSE的表达并不依赖于ATM的激活,H2S/CSE途径对辐射诱导的ATM及P53磷酸化以及NF-κB的激活起负调控作用。