贫铀对秀丽线虫的慢性毒性和作用机制研究

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铀(Uranium,U)是地壳中存在的一种天然重金属元素,可作为核反应原料,具有重要的工业和军事应用价值。天然铀在浓缩提取绝大部分235U之后得到的副产品称之为贫铀(depleted uranium,DU),由234U、235U、238U三种天然同位素构成。已有研究表明,DU兼具放射毒性和化学毒性,但是同天然铀相比,其放射性很低,其毒性主要体现为化学毒性。随着DU在工业和军事上的广泛应用,已成为不可忽视的重金属污染物,其长期暴露对环境的污染和人类健康的威胁不容忽视。然而,目前人们对DU长期暴露所产生的慢性毒性效应的了解仍不够全面,尤其是对动物神经系统的影响及其作用机制尚未系统阐明。秀丽线虫(C.elegans)因其生命周期短、与人类基因同源性高、易于保存等特点被作为模式生物广泛用于毒理学研究。本文以模式生物秀丽线虫作为研究对象,以六水合硝酸铀酰化学试剂制备DU,系统探究了DU的慢性毒性效应并初步阐明其作用机制。本研究通过线虫寿命实验探究了DU的长期暴露对野生型(wild type,N2)秀丽线虫和帕金森病(Parkinson’s disease,PD)模型线虫—NL5901(unc-54::alpha synuclein::YFP+unc-119)寿命的影响,并通过N2线虫头部摆动次数和吞咽泵频率实验进一步探究DU对秀丽线虫运动能力的影响;通过后代数目和生殖细胞凋亡实验评价其对N2线虫所产生的生殖毒性;通过紫外应激、热应激和氧化应激实验探究DU对N2线虫抗应激能力的影响,并进一步利用PD模型线虫和BZ555(dat-1::GFP)线虫探究DU长期暴露对秀丽线虫的神经毒性效应;通过q-PCR(quantitative-Polymerase Chain Reaction)实验检测了DU对N2线虫体内相关抗氧化基因转录水平的影响,主要结果如下:(1)DU对秀丽线虫的生殖能力、运动能力、抗应激能力无显著影响:N2线虫在DU长期暴露的环境中,其后代数目与对照组无明显差异,同时利用吖啶橙(Acridine orange,AO)对N2线虫的生殖细胞进行检测,DU处理组的线虫生殖细胞没有出现明显凋亡情况;在线虫成虫期第3、5、7、9天,分别统计其1 min内的头部摆动次数和30 s内吞咽泵频率,DU处理组与对照组无显著性差异;长期暴露在DU环境中的N2线虫经紫外、高温、氧化应激后对其群体死亡情况进行统计,其抗应激能力无显著性降低。(2)DU长期暴露对N2线虫寿命无显著影响,但能够缩短PD模型线虫(NL5901)的寿命:N2线虫长期暴露在DU环境中,其生存曲线同对照组无显著性差异(P=0.2160),但长期暴露在DU环境中的PD模型线虫的平均寿命显著低于对照组,生存曲线与对照组存在显著性差异(P<0.01),推测DU可能具有一定的神经毒性。(3)DU长期暴露会导致线虫神经损伤:PD模型线虫(NL5901)体内蛋白水平检测实验表明,在DU长期暴露的环境中,其体内α-突触核蛋白聚集显著高于对照组(P<0.001)。此外,BZ555线虫体内蛋白水平检测实验表明,DU长期暴露会导致其体内多巴胺能(dopaminergic,DAergic)神经元出现明显萎缩现象(P<0.001)。实验结果进一步证明了DU具有神经毒性,长期暴露会对神经元造成损伤,并可能进一步引发PD。(4)DU长期暴露对N2线虫体内抗氧化基因转录水平的影响:q-PCR实验证实,DU可抑制N2线虫体内cat-1、cat-2、cat-3、gst-7和gst-10基因的表达,但不影响线虫体内gst-1、gst-4、gst-20、sod-1、sod-2、sod-3、sod-4和sod-5基因的表达,推测DU通过抑制抗氧化基因cat-1、cat-2、cat-3、gst-7和gst-10的表达而降低了线虫清除体内活性氧自由基的能力,进一步造成神经损伤。综上结果表明,DU的长期暴露对N2线虫生殖能力、运动能力、抗应激能力和寿命无显著性影响,但会缩短PD模型线虫的寿命,导致线虫体内α-突触核蛋白聚集增加和DAergic神经元损伤,具有潜在的神经毒性,其作用机理可能是DU通过抑制cat-1、cat-2、cat-3等抗氧化基因的表达,降低线虫清除体内活性氧自由基的能力,进而造成神经损伤。这些研究发现可引起公众对促进PD病理进程的关注,尤其是DU长期暴露具有潜在的神经毒性。
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