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中科项目文章 | 转录组+蛋白组+代谢组揭示氧化锌暴露造成神经毒性的分子机制

2020-12-02
中科新生命
1814


吸入氧化锌纳米颗粒(NPs)会造成神经毒性,但其分子机制尚不清楚。本研究将大鼠分别暴露于氧化锌及硫酸锌,并通过影像学、转录-蛋白质-代谢多组学揭示了氧化锌暴露造成神经毒性的分子机制,为安全设计氧化锌纳米颗粒提供了依据。中科院生态环境研究中心研究团队在《Nano Today》(16.907)杂志发表"Intranasal exposure to ZnO nanoparticles induces alterations incholinergic neurotransmission in rat brain"研究成果。


实验对象

ZnO暴露后的大鼠脑组织

实验技术

多组学联合分析(转录组+蛋白组+代谢组)

实验路线图

研究结果

(1) 对氧化锌及硫酸锌暴露后的大鼠检测发现,锌主要积累在海马体中。X射线吸收精细结构(XAFS)分析表明: 海马体中未发现ZnO颗粒,表明ZnO纳米粒子在体内发生了溶解和转化,主要以锌离子形式存在。 


图1. 不同脑组织部分Zn含量分布(上图)及X射线吸收精细结构(XAFS)分析(下图)


(2)对锌暴露后的大鼠脑组织进行转录组+蛋白质组联合分析发现,乙酰胆碱合成、囊泡乙酰胆碱转运体、乙酰胆碱水解酶等乙酰胆碱代谢转运相关基因表达发生明显差异,揭示胆碱能神经递质在氧化锌暴露神经毒性中起到重要作用。

图2. 氧化锌及硫酸锌暴露后的转录组(a,b,c,d,e)及蛋白质组(h,i,j)表达变化及差异通路


(3)接着,作者进一步利用靶向代谢组学技术检测了胆碱相关代谢通路的代谢物变化情况,发现胆碱、乙酰胆碱浓度的确发生显著差异。与此相关的糖酵解、TCA循环等能量代谢通路中大部分代谢物也发生显著改变。进一步证实了基因层面对锌暴露的响应机制。


图3. 锌暴露条件下脑组织代谢物含量变化


(4)为了更深入剖析胆碱代谢相关分子功能的变化机制,作者检测了乙酰胆碱水解酶(AChE)、丁酰胆碱酯酶等胆碱代谢相关酶活。发现乙酰胆碱水解酶在锌暴露条件下活性被显著抑制。通过体外实验也证实,锌离子会与AChE发生相互作用,改变蛋白二级结构,从而改变蛋白酶活。

图4. 锌暴露条件下体内/体外AChE酶活检测及AChE蛋白结构变化


小结

(1)本文通过一系列组学及影像学实验,揭示了氧化锌纳米颗粒暴露造成神经毒性的机制之一是经由ZnO→Zn2+→AChE→胆碱能神经递质这一信号途径实现。

(2)本文的组学实验设计用到了转录组+蛋白质组+代谢组三种组学技术,从不同信息维度共同指向聚焦到了胆碱代谢通路,为其后续的酶活、蛋白结构功能验证实验指明了方向。



中科新生命转录组+蛋白组 v2.0

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