镉是一种典型的重金属污染物,主要通过化石燃料燃烧、磷肥、自然来源、钢铁铸造、生活垃圾焚烧、水泥及有色金属生产和其他工业生产等途径进入环境。随着现代工业的快速发展,环境中镉污染的问题已广泛存在于全球的大部分区域,且人体接触镉暴露的机会呈逐年上升的趋势。由于镉在环境中的普遍存在和其潜在的毒性效应,目前镉污染带来的环境问题和对人体健康的毒性效应引起了广泛的关注和研究。镉是生物体内的一种非必需元素,不可以被机体降解。对于非职业暴露人群,镉主要通过被污染的食物和吸烟进入其体内。镉进入人体后,经血液循环系统分布到全身各器官,引发骨、肝、肾和生殖系统等多系统性、多器官性的机体损伤。研究表明重金属在机体内诱发的氧化应激与多种疾病相关。镉可以在体内和体外通过扰乱氧化还原平衡进而诱发氧化应激。镉诱发活性氧物质(ROS)的大量积累会造成机体内的一系列非特异性损伤,导致细胞死亡乃至组织损伤,被认为是疾病的一般机制。目前,镉暴露诱发的氧化应激相关毒性效应与作用机理尚未完全阐明,相关研究的方法学还需要进一步建立和完善。取决于实验条件和研究对象的不同,镉诱发的氧化应激相关毒性效应与作用机理仍存在争议。针对以上问题,本研究从动物、细胞和分子水平上研究了镉诱发氧化应激相关毒性效应与机理,主要包括以下六个部分：第一章简要介绍了环境中镉污染的特点和现状以及镉毒性效应的研究进展,概述了氧化应激、氧化损伤及其调控和作用机制,归纳了镉暴露诱发机体的氧化应激相关毒性效应与机理。通过文献综述,总结了本领域的研究进展和目前存在的尚待解决的科学问题,并针对这些问题设计了实验方案。第二章以斑马鱼作为实验对象,从实验动物层面上通过检测了镉诱发斑马鱼肝脏内氧化应激过程中生物标记物的变化,包括抗氧化酶过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽还原酶(GR)和谷胱甘肽硫转移酶(GST)的活力变化,还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)以及脂质过氧化产物丙二醛(MDA)的含量变化,研究了镉染毒诱发斑马鱼肝脏内的氧化应激相关毒性效应与机理。研究结果表明镉暴露导致GPx酶活力上升,GR和GST酶活力下降；直接抗氧化酶CAT酶活力下降,而SOD酶活力上升；GSH含量下降而GSSG含量上升,GSH/GSSG比率下降；以及MDA含量升高。这些研究结果表明镉暴露诱发斑马鱼肝脏内产生了大量的ROS,打破了氧化还原平衡态,诱发了氧化应激,对斑马鱼肝脏造成了氧化损伤。第三章以小鼠原代肝细胞为研究对象,经体外染毒,从细胞水平研究镉在小鼠原代肝细胞内诱发的氧化应激相关毒性效应与机理。细胞经6或24小时镉暴露后,原位测定了细胞内的Cd2+含量,并测定了细胞活力、凋亡情况,胞外信号调节激酶ERK信号通路和天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)的活化情况,氧化应激相关的生物标记物ROS,GSH,CAT和SOD的变化,DNA损伤及组蛋白磷酸化的情况。研究发现经6h镉暴露后,细胞内无游离的Cd2+存在且镉对细胞没有明显的毒性。而经过24 h镉暴露后,部分细胞内发生了ROS含量持续升高等氧化应激效应、凋亡比例升高以及DNA氧化损伤等毒性效应。采用抗氧化剂N-乙酰基-L-半胱氨酸(NAC)对细胞进行预孵育可以阻止镉暴露造成的肝细胞活力的下降、凋亡比例的升高以及DNA损伤。上述结果说明镉在肝细胞内诱发了氧化应激并对肝细胞产生了毒性效应。镉通过氧化应激介导的凋亡降低了肝细胞活力。镉暴露后肝细胞内ERK通路被激活,NAC可以降低ERK通路的活化程度；NAC和ERK信号通路的抑制剂PD98059降低了细胞凋亡比例和caspase-3的活化程度。上述结果说明氧化应激调控的下游ERK信号通路的活化参与了镉引起的小鼠原代肝细胞的凋亡。本研究发现并证明了镉引起组蛋白H3的磷酸化与氧化应激和ERK通路的活化紧密相关。第四章以抗氧化酶CAT和SOD为研究对象,采用荧光光谱法、紫外-吸收光谱以及圆二色谱等多种光谱法研究了镉对蛋白结构的影响；采用酶活性检测的方法测定了镉暴露后酶活性的变化；采用等温量热滴定法(ITC)研究了镉与两种酶的结合模式,计算了结合参数和热力学参数；采用分子模拟等技术模拟了蛋白上镉的结合位点,建立两者的作用模型,并结合前述实验得到的结论,解释蛋白结构和功能变化的机理。(1)镉与CAT分子的直接相互作用导致CAT酶活性下降。镉与CAT主要通过静电作用力结合,与CAT有一类结合位点,结合常数K=(2.69±0.243)×103M-1。镉静态猝灭了CAT的内源荧光,两者形成了复合物,改变了芳香环氨基酸残基微环境的疏水性。两者的结合改变了CAT的二级结构,导致酶分子发生错折叠现象。对接的结果表明镉与底物进入CAT活性中心通道上的Gln 167和Trp 185相互作用,阻止底物进入酶活性中心,导致CAT的酶活性下降。(2)镉与SOD分子的直接相互作用导致SOD酶活性上升。镉与SOD主要通过静电作用力结合,与SOD有两类结合位点,结合常数分别为K1=(6.07±1.47)×105M-1和K2=(1.02±0.132)×104M-1。镉暴露改变了SOD的二级结构,导致酶分子发生去折叠现象。并且,镉不优先与SOD的发色团氨基酸残基发生作用,而是在SOD构象发生变化发色团外露后才与发色团发生作用。分子对接的结果表明镉结合到了SOD两亚基的交界面,可能造成酶活性位点附近的口袋增大,进而导致酶活性上升。第五章以具有间接抗氧化作用的蛋白溶菌酶(LYZ)和转铁蛋白(TF)为研究对象,采用荧光光谱法、紫外-吸收光谱以及圆二色谱等多种光谱法研究了镉对蛋白结构的影响；采用酶活性检测的方法测定了镉暴露后酶活性的变化；采用ITC研究了镉与蛋白相互作用过程中的结合模式,计算了结合参数和热力学参数；采用分子模拟等技术模拟了蛋白上镉的结合位点,建立两者的作用模型,并结合前述实验得到的结论,解释蛋白结构和功能变化的机理。(1)镉主要通过疏水作用力与LYZ相互作用,改变了LYZ的二级结构。尽管两者形成了复合物,但在低浓度镉暴露时,镉不优先结合于LYZ的活性位点附近,所以LYZ活性无变化。而在相对高浓度镉暴露时,镉与LYZ活性位点的关键氨基酸残基Glu 35和Asp 52发生作用,导致酶活性受到抑制。(2)TF可以结合镉并且中和镉对肝细胞的毒性。镉静态猝灭了TF的内源荧光,与TF分子形成复合物,使TF发生α螺旋含量降低和蛋白质皱缩等结构和构象上的变化。镉主要通过疏水作用力优先与TF上结合力高的位点结合,对TF的铁结合位点没有影响且不会造成铁的释放。高结合力位点饱和后,镉主要通过静电作用力结合到TF上结合力较弱的位点,与铁结合位点周围的Tyr 517和Tyr 95相互作用,造成铁的释放。第六章对本论文的工作进行了总结,归纳了了本研究中的创新点,分析了研究方法的不足,并展望了该领域的发展方向和下一步的研究计划。本研究结合体内动物实验和体外细胞及分子实验三种毒性评价的方法,评价了镉在肝脏及肝细胞内产生的氧化应激相关毒性效应,研究了镉致肝细胞发生凋亡、遗传和表观遗传毒性的作用机理,建立了镉与氧化应激相关蛋白间的作用模型并完善了污染物造成蛋白结构和功能变化及其作用机制的研究方法。三种暴露途径联合全面地评价并阐明了镉诱发的氧化应激相关毒性效应与机理,为更好地理解镉毒性提供了基础数据；为镉致肝损伤的的致病机理以及镉中毒的治疗方案提供了参考；为评估镉类重金属污染物的危害度、为国家制定有效的干预对策和措施等决策提供了科学的参考依据和技术支持。