你暴露啦！代谢组解析环境暴露与健康危害

暴露组学作为基因组学的补充，是指从妊娠开始贯穿整个人生的环境暴露，其暴露源包括外源（污染、辐射、饮食等）和内源（炎症、感染、微生物等）。

常见的环境暴露有可吸入颗粒物、多环芳羟、重金属、有机氯化合物、农药、增塑剂等等，它们可通过饮食、水、空气或者直接皮肤接触等方式进入人体，对人体的健康造成巨大威胁。研究环境暴露对人类健康的潜在影响较为复杂，需要流行病学、分子生物学以及分析化学等多种不同研究方法的结合。而代谢组作为与表型最为接近的组学，正越来越多地被应用于环境暴露研究中，为由化学污染物暴露引起的代谢物水平变化提供了新思路。

二、不同种类环境暴露相关的代谢特征

Current Opinion inToxicology，2018

➢重金属与多环芳烃（PAHs）

活性氧(ROS)介导的氧化应激，被认为是重金属和多环芳烃的一种潜在作用模式。众多研究都表明，无论是暴露于砷、镉、钒、多环芳烃还是更复杂的混合物中，代谢物水平的变化都表明发生了氧化：TCA循环扰动和氨基酸代谢受损会引起线粒体功能障碍，导致能量产生不足。脂质代谢紊乱也可能是由于氧化或炎症过程引起。下表总结了几种不同重金属及PAHs所引起的代谢变化情况。

➢持久性有机污染物

持久性有机污染物暴露的代谢组学研究多侧重于二噁英和多氯联苯（PCBs），其次是有机氯农药(DDE、HCB和HCH)。这些研究大多表现出胆固醇、类固醇代谢和胆汁酸生物合成的失调，这与AhR mediation和肝损伤相一致。在暴露于PCBs、DDE和HCB的人群中也发现了脂肪酸、甘油磷脂、鞘脂和甘油脂等脂质代谢的紊乱。

二噁英暴露的尿液代谢生物标记（Toxicol Lett）

➢环境内分泌干扰物

环境内分泌干扰物包括某些农药、化工原料、增塑剂、酚类化合物等，它们普遍存在于人类环境中，对机体具有内分泌干扰作用。Jordan等采用代谢组学研究发现在低浓度暴露下，壬基酚（NP）主要干扰机体糖代谢、脂质代谢和核酸代谢；邻苯二甲酸二辛酯（DEHP）影响糖代谢和脂质代谢；双酚基丙烷（BPA）影响糖代谢。

NP、BPA暴露下代谢通路富集（J Proteome Res）

思路一：表型分析+代谢组

此类文章的整体结构较为简单，大致可分为3部分：表型结果展示、代谢组学数据分析、代谢联合表型深入探讨，部分文章可通过添加验证实验进一步提高文章水平。

代谢组学分析探讨了母体暴露于PM2.5对小鼠神经行为的影响（2019）

（1）生殖流行病学研究表明，围产期PM2.5暴露与不良出生结局之间存在关联。为了探讨围产期早期暴露于PM2.5对后代的影响，取孕1.5天的孕鼠暴露于pm 2.5或过滤的清洁空气中连续14天（每组12只）。

（2）表型分析表明，对照组与暴露组中母鼠死亡率、体重、活胎数量、后代发育情况均不存在明显差异。

（3）神经行为测试表明，PM2.5暴露组后代的自发运动和探索行为显著增强。

（4）代谢组学分析表明在PM2.5暴露组的后代小鼠大脑中多巴胺途径被激活，而甘氨酸途径被抑制。

（5）使用DRD4拮抗剂氯氮平；或者向小鼠后代补充甘氨酸受体激动剂牛磺酸，可减弱小鼠后代的过度运动。

（6）这些结果表明在大脑发育的关键时期，母体暴露在空气污染中可能会增加后代患神经疾病的风险。

思路二：表型分析+代谢组+微生物组

（1）流行病学与动物研究表明，BPA作为之前食品包装材料的重要原料，具有潜在的致癌作用及类激素作用，而BPS作为BPA的结构类似物，其是否具有类激素作用，对于评估其安全性具有重要意义。

（2）结合MTT实验结果，表型分析表明，MCF-10A细胞系暴露于不同浓度BPS 24h后，呈现出不同的细胞增殖率。

（3）蛋白组学分析表明，暴露于BPS 24h后，相比于阴性对照组，200种蛋白质表现出表达差异，其中细胞增殖相关的蛋白，EGFR信号通路相关蛋白，与TCA循环相关的代谢通路蛋白均表现出显著上升，而细胞凋亡相关蛋白显著下调。

（4）代谢组学分析表明，暴露于BPS 24h后，相比于阴性对照组，35种内源性代谢物表现出明显差异，主要与嘌呤代谢，TCA循环，氨基酸代谢（包括苯丙氨酸，丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸），甘油磷脂代谢，丙酮酸代谢相关。

（5）蛋白组学与代谢组学联合分析表明，BPS暴露促进MCF-10A增殖，与EGFR受体的表达上调有关，同时，观察到细胞增殖相关蛋白MKI67和CDH1表达上调，另外,  参与维持细胞增殖与信号转导的TCA循环，嘌呤代谢，丙酮酸代谢和脂质代谢增强，说明了BPS暴露促进了MCF-10A的增殖。

（6）这些结果表明，低浓度BPS具有类激素的作用，能通过EGFR介导的信号通路促进细胞增殖，同时伴随细胞增殖相关的代谢活动增强，这对于其安全性评估具有重要的探究意义。

参考文献

1.Wei Huang, Lin Zhu, Chao Zhao, et al. Integration of proteomics and metabolomics reveals promotion of proliferation by exposure of bisphenol S in human breast epithelial MCF-10A cells[J]. Science of the Total Environment, 2020, 12(3):321-329.

2.Cui J , Fu Y , Lu R , et al. Metabolomics analysis explores the rescue to neurobehavioral disorder induced by maternal PM2.5 exposure in mice[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 169(MAR.):687-695.

3.Li X , Brejnrod A D , Ernst M , et al. Heavy metal exposure causes changes in the metabolic health-associated gut microbiome and metabolites[J]. Environment International, 2019, 126:454-467.

4.Bonvallot N , David A , Chalmel, Frédéric, et al. Metabolomics as a powerful tool to decipher the biological effects of environmental contaminants in humans[J]. Current Opinion in Toxicology, 2018:S2468202017301390.

5.Chen Y , Wang Z , Xu M , et al. Nanosilver Incurs an Adaptive Shunt of Energy Metabolism Mode to Glycolysis in Tumor and Nontumor Cells[J]. Acs Nano, 2014, 8(6):5813-25.

6.Jeanneret F , Boccard J , Badoud F , et al. Human urinary biomarkers of dioxin exposure: Analysis by metabolomics and biologically driven data dimensionality reduction[J]. Toxicology Letters, 2014, 230(2):234-243.

7.Jordan J , Zare A , Jackson L J , et al. Environmental Contaminant Mixtures at Ambient Concentrations Invoke a Metabolic Stress Response in Goldfish Not Predicted from Exposure to Individual Compounds Alone[J]. Journal of Proteome Research, 2012, 11(2):1133-1143.