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核化生恐怖事件层出不穷,时刻威胁着国家安全、公共安全,犹如“达摩利斯之剑”。当前大规模杀伤性武器的侦检、溯源手段多基于实施后的物质样本来源检测。然而,化学毒剂多属高毒或剧毒物质,在环境中降解迅速,使用后往往无迹可寻,且此类证据通过洗消、转移等手段难以长期保存。染色质的表观遗传修饰对高等真核生物的基因表达调控至关重要。目前普遍认为,表观遗传修饰（包括DNA、RNA和组蛋白修饰）与外源毒物暴露高度相关,属于高度保守的非遗传性印迹。表观遗传印迹的时空稳定性为监测毒物暴露提供了可能,也为揭示化学战剂（Chemical Warfare Agent,CWA）、生物战剂（Biological Warfare Agent,BWA）暴露的毒理学机制提供了可能的新视角。其中,核酸修饰可在不改变遗传密码或DNA序列的情况下,参与多种复杂生物过程及疾病过程,与发育、衰老、癌症等高度相关。外源性毒物接触可使机体形成稳定的核酸修饰表观图谱,且具有毒物暴露特征性,可作为有效的暴露标志物。由于核酸修饰在体内的极低丰度,特异性强、选择性良好且灵敏度高的质谱已发展为最具潜力的DNA、RNA修饰分析鉴定及定量技术,特别是液相色谱-质谱联用技术,已广泛应用于核酸修饰的检测中。本研究基于真核生物DNA及RNA上经典表观遗传修饰的48种脱氧核苷、核苷类化合物建立并优化灵敏、稳定及特异性的超高效液相色谱串联三重四极杆质谱（Ultra-Performance Liquid Chromatography Tandem Triple Quadrupole Mass Spectrometry,UPLC-Qq Q-MS/MS）分析方法,并结合核酸共提取及一步共酶解策略,可在5 min内对核酸修饰组实现分离及分析,实现高于现有文献2-5倍的高灵敏、高通量检测。将此方法应用于多种人源化细胞及小鼠细胞中全基因组及总RNA的核酸修饰检测,可同时获得DNA、RNA修饰的准确定性、定量信息,进而实现对多种修饰比例的动态定量监测。本方法可用于监测毒物敏感细胞在不同浓度及时程下多水平暴露后的核酸修饰组轮廓,结合核酸测序、多元统计及模式识别等分析,可从核酸修饰组学角度广泛揭示不同毒物的毒理学机制差异,为深入研究其表观遗传毒理学机制提供前期基础。在此基础上,我们重点以敏感细胞HaCaT建立体外模型,以不同时间、不同浓度芥子气（Sulfur Mustard,SM）及其砜类氧化物二乙烯砜（Divinyl Sulfone,DVS）、5种有机磷化合物（G类神经性毒剂、V类神经性毒剂、其他）、蓖麻毒素（Ricin）等CWA、BWA暴露,用建立的UPLC-MS/MS方法同时测定40种DNA、RNA修饰水平,以修饰核苷与正常核苷的比例作为特征值,明确以烷化剂、有机磷化合物、二型核糖体毒蛋白（Type Ⅱ Ribosome-Inactivating Proteins,RIP-Ⅱ）类生物毒素为主的不同类型CWA暴露后细胞中DNA、RNA修饰比例的变化特征组合,从“核酸修饰组”角度进行毒物类型、暴露时程的鉴别。最后,评价DNA、RNA修饰作为毒物暴露预警标志物的适用性,基于聚类分析、主成分分析（Principle Component Analysis,PCA）、Tclass模型的数学方法构建几类CWA的特征性核酸修饰组合,为CWA预警方面的应用提供前期体外水平研究基础。研究结果表明,通过PCA可基本区分HaCaT细胞样本是否受到CWA暴露,并可根据核酸修饰变化轮廓推测可能的CWA暴露类型,解释度约为40%;结合基于多种变量选择方法的Tclass分类模型可知,通过m~5C、m~1G两个修饰,可从大类上区分烷化剂、有机磷化合物两大类CWA暴露特征,解释度可达79%;在其他类型修饰的辅助下,可进一步辨别CWA类型,其中,区分G类神经性毒剂、V类神经性毒剂、其他化合物三种不同类型有机磷化合物时解释度可达63.7%,区分不同类型烷化剂时解释度可达93.72%。在上述基于核酸修饰组的CWA表观遗传因子筛查、预警模型基础上,本论文重点以SM、DVS作为小分子毒物代表,针对体外预警模型发现的烷化剂表观遗传毒理学线索,开展了补充性研究,从而从毒理学、生物信息学角度评价预警模型的应用性,并初步建立基于典型CWA体外预警模型的表观遗传效应研究体系:首先,选择HFL1、HaCaT细胞作为SM、DVS暴露靶细胞,结合基于表观基因组的特殊高通量测序（Me DIP）方法补充“定位”水平信息,并通过生物信息学分析揭示与SM、DVS暴露相关的表观遗传效应。进而,结合多组学联合分析,从差异基因、差异蛋白质、差异代谢物水平上补充SM、DVS暴露毒理学新机制,特别是神经毒性相应证据,为SM及其砜类氧化物神经毒性的体内、体外水平功能、机制研究提供前期基础。结果显示,SM暴露后最显著富集通路为PI3K-Akt信号通路,DVS暴露后最显著富集通路为铁死亡相关信号通路;另外,通过GABAergic和突触形成过程、多种神经退行性疾病、神经管闭合功能、β-淀粉样蛋白聚集等多个神经毒性相关通路的显著富集,本部分研究为SM及其砜类氧化物DVS的慢性神经毒性研究提供了多角度前期证据。之后,本论文以两种RIP-Ⅱ类生物毒素:Ricin及蓖麻凝集素（R.communis agglutinin,RCA120）作为大分子毒物代表,针对其潜在免疫毒性,选择小鼠及人源的两株巨噬细胞RAW264.7、THP-1为体外模型,进行RIP-Ⅱ低毒性暴露,基于PCA对所获数据进行分析、比较,获得与RIP-Ⅱ诱导巨噬细胞炎性反应相关的核酸修饰特征性组合;进一步,将HaCaT细胞及两株巨噬细胞在RIP-Ⅱ相同条件暴露下的共同特征进行联合分析,从不同物种来源、不同细胞模型角度进一步验证本论文中建立的基于核酸修饰CWA预警模型的可应用性。