纳米银对扇形游仆虫和嗜热四膜虫的毒性效应及分子机制研究

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纳米银(AgNP)是应用最广泛的金属纳米材料,其潜在的生物和环境风险引起了普遍的关注。目前,我们对AgNP的生物毒性及相应的机制认识还不够充分,特别是细胞在分子水平上如何响应AgNP的胁迫、并指导哪些关键的酶和信号分子进行解毒还缺乏足够的认识。基于此,本研究以纤毛虫—扇形游仆虫和嗜热四膜虫为研究对象,结合microRNA、lncRNA和mRNA组学数据、生物信息学和生理生化实验,阐明AgNP短期暴露过程中,基因转录及转录后调控机制如何指导细胞对不利环境进行响应。结果显示:(1)Ag+和AgNP对扇形游仆虫12小时的半数致死浓度分别为2.18±0.06和 30.01±1.98 mg/L;Ag+、Ag-Cit10、Ag-Cit80 和 Ag-PVP80 对嗜热四膜虫 24小时的半数生长抑制浓度分别0.86±0.06、1.64±0.14、2.68±0.13和2.93±0.08 mg/L。(2)氧化应激是AgNP产生毒性的主要机制。AgNP暴露24小时后,检测到扇形游仆虫细胞内银的累积为1.38±0.15 mg/g细胞干重,而嗜热四膜虫的细胞膜上观察到AgNP富集的黑点。KEGG和GO富集分析提示扇形游仆虫通过内吞作用摄入AgNP,Ag+通过细胞膜上的阳离子通道协同运输进入细胞。两种虫体的活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量显著升高,ATP含量则显著降低,提示细胞脂质过氧化和线粒体损伤。转录组数据显示扇形游仆虫多种与能量代谢、电子传递、DNA损伤修复相关的基因显著上调表达,并富集在相关的生物学通路,证明线粒体功能发生障碍,并提示细胞周期G2/M期阻滞。(3)纤毛虫通过改变抗氧化酶基因的表达水平来提高细胞的抗氧化应激能力,可能有助于细胞进行解毒反应。AgNP暴露后,检测到谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)显著升高,谷胱甘肽还原酶(Gr)则显著降低,提示细胞产生抗氧化反应。转录组数据显示多种抗氧化基因差异表达,例如GPx、Gr、谷胱甘肽合成酶和超氧化物歧化酶等。功能富集分析发现多个抗氧化相关的生物学通路显著富集,例如谷胱甘肽代谢、激酶活性和氧化还原酶活性等,证明细胞激发抗氧化的防御机制。(4)microRNA和lncRNA的转录后调控功能在纤毛虫应对纳米银毒性中发挥重要作用。AgNP暴露后,扇形游仆虫共鉴定到16个差异表达microRNA,并预测到4640个靶基因。通过抑制基因的表达,这些microRNA抑制了扇形游仆虫多项重要的生物功能,包括TCA循环、氧化磷酸化和细胞周期等,以应对AgNP不同胁迫时间的毒性。另一方面,Ag+、Ag-Cit10、Ag-Cit80和Ag-PVP80暴露后,嗜热四膜虫共鉴定到1250个差异表达lncRNA,这些lncRNA具有空间动态表达模式,并通过与mRNA共表达网络,在抑制细胞生长、激活细胞膜离子通道和氧化还原酶活性的调控中发挥关键作用,以应对银离子和三种不同类型纳米银的毒性。
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