项目文章| 蛋白质组联合代谢组学解析砷暴露的生物毒性

砷广泛分布于土壤中，可以通过食物网络在土壤-植物-动物系统中转运和生物富集。砷因其具有细胞和基因毒性，被归类为致癌物质。砷暴露导致DNA氧化损伤，进而导致蛋白质改变，降低过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性和增加丙二醛水平。目前，低浓度砷污染土壤生物毒性在代谢和蛋白质水平变化并不清楚。

2020年2月，中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所)王兴祥研究团队在Journal of Hazardous Materials (IF=9.038)上发表了题为"A new perspective on the toxicity of arsenic-contaminated soil: Tandem mass tag proteomics and metabolomics in earthworms"的研究文章。

该篇文章通过蛋白质组学、代谢组学联合方法对低浓度砷污染土壤中蚯蚓特定蛋白质和代谢物的表达特征进行分析，结果发现高浓度砷污染的土壤导致蚯蚓中甜菜碱上调表达和二甲基甘氨酸和肌醇下调表达，提示蚯蚓渗透压代谢调节可能被扰乱，且天冬酰胺和二甲基甘氨酸可作为潜在砷污染土壤生物标志物。通过对表达变化的蛋白进行GO显著富集分析证实蚯蚓遭受渗透压胁迫，可溶性钙结合蛋白和抑制蛋白上调表达，钠/钾转运的ATP酶下调表达。此外，甘氨酸-tRNA连接酶活性变化和体腔组织损伤揭示砷积累可能扰乱蚯蚓免疫系统。

研究材料

蚯蚓，对照组、砷暴露组

技术方法

TMT蛋白质组学、代谢组学

实验路线图

研究结果

1、形态学和组织损伤检查

研究人员首先对砷暴露组和对照组蚯蚓进行形态学、组织损伤分析。结果显示，暴露组和对照组中的砷浓度从蚯蚓前部到背部逐渐升高。与对照组相比，暴露组蚯蚓后肠段砷浓度高达131.3mg/kg。形态学和组织损伤分析显示，对照组显示出消化腔、肠上皮、盲道组织、体腔活性和体腔组织结构清晰。然而，暴露组表现出肠上皮、chloragogenous组织部分脱落，此外暴露组体腔组织结构不明显。

对照组和暴露组蚯蚓前部、中间部和背部砷浓度和生物累积因子

2、蛋白质组学分析

随后研究人员通过TMT蛋白质组学技术对砷暴露组和对照组的蚯蚓的蛋白表达模式进行分析，结果共鉴定到5457个蛋白质，其中砷暴露导致包括可溶性钙结合蛋白、脯氨酸蛋白、转录起始因子等29种蛋白上调表达，包括中间丝蛋白、视黄醇脱氢酶等29种蛋白下调表达。通过对差异蛋白的GO富集分析显示，响应盐胁迫、高渗透盐度响应、渗透胁迫响应等生物学过程显著富集。

差异蛋白GO分析

3、代谢物和代谢毒性分析

进一步研究人员通过代谢组学技术对砷暴露和对照组的蚯蚓的代谢特征进行分析。结果显示包括丙氨酸、天冬酰胺、二甲胺、甜菜碱、蚯蚓磷脂和ATP等代谢物在暴露组显著上调表达，而二甲基甘氨酸、肌醇、组氨酸、NAD+/NADP+和NADPH/NADH等代谢物在暴露组显著下调表达。代谢网络分析显示蚯蚓渗透调节代谢可被砷污染土壤胁迫扰乱。

低浓度砷暴露蚯蚓代谢组学分析

小编小结

本研究应用蛋白质组学、代谢组学联合方法对暴露于低浓度砷土壤中的蚯蚓的蛋白质和代谢物表达特征进行分析。研究发现，蚯蚓后肠中高浓度砷的积累不仅诱导了蚯蚓的渗透胁迫，如丙氨酸、天冬酰胺、ATP和甜菜碱等代谢物水平的显著增加，以及二甲基甘氨酸、肌醇、组氨酸和NDA+/NADP+等代谢物水平降低，同时也可能导致蚯蚓免疫紊乱，如肠腔组织损伤和甘氨酸-tRNA连接酶活性显著提高。

进一步通过蛋白质组学分析证实了蚯蚓中的渗透胁迫，包括可溶性钙结合蛋白和抑制蛋白上调表达，以及钠/钾转运APT酶下调表达。

在未来的研究中或可使用基于三维空间网络的可视化分析系统，对土壤中的砷物种进行鉴定，以进一步预测和探索哪一种砷导致蚯蚓中基因、蛋白和代谢物的系统变化。

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