柯楊, 馬瑜,*, 朱海云, 張育輝
1.陜西省微生物研究所,西安710043;2.陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西安710119
水域是地球環(huán)境的重要組成部分,也是最易受污染的生態(tài)系統(tǒng)之一,其變化影響著整個生態(tài)系統(tǒng)及人類的生存。水生態(tài)系統(tǒng)中不同營養(yǎng)級別的水生生物,如甲殼類、魚類及兩棲類等,均可通過攝食、接觸等多種途徑攝入水體中的污染物;同時,水域污染物也可通過直接毒性(短/長期暴露)和間接毒性(如生殖生理毒性及環(huán)境適應(yīng)性)等多種途徑影響水生生物的生存[1]。因此,研究水生生物對水域環(huán)境污染的響應(yīng)有助于快速準確地檢測環(huán)境污染水平、評價環(huán)境風(fēng)險及尋求新的生物標志物。此外,人口增長和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致許多污染物和毒素釋放到環(huán)境中,這些污染物和毒素在環(huán)境中的降解、蓄積、遷移和轉(zhuǎn)化過程會對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成威脅。因此,監(jiān)測這些污染物和毒素對生物體和生態(tài)系統(tǒng)的影響是生態(tài)毒理學(xué)的研究重點,而敏感、有效的生物標志物對生態(tài)毒理學(xué)研究和環(huán)境風(fēng)險評價具有重要意義[2]。
水生生物生態(tài)毒理學(xué)可從不同層面闡明有毒化學(xué)物質(zhì)對水生生物以及生態(tài)環(huán)境的影響,預(yù)測并減少或防止水生污染物對環(huán)境的有害影響[3]。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,傳統(tǒng)以動物為基礎(chǔ)的個體、組織和器官水平的毒理學(xué)研究,實現(xiàn)了向細胞和分子水平的跨越。此前,基于微陣列和RNA 測序(RNA sequencing,RNA-seq)技術(shù)的基因表達分析已經(jīng)應(yīng)用于水生物種的生態(tài)毒理學(xué)研究中[4]。而基于雜交基礎(chǔ)的微陣列技術(shù)只限用于已知序列,且雜交技術(shù)靈敏度有限,難以檢測低豐度的目標、重復(fù)序列及異常的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,因而逐步被RNA-seq技術(shù)所替代。
RNA-seq技術(shù)是基于二代測序技術(shù)(next-generation sequencing,NGS)進行轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的方法,應(yīng)用該方法對特定生理條件下,一個或多個細胞內(nèi)所有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或所有mRNA的集合進行轉(zhuǎn)錄組分析,可全面快速地獲得特定狀態(tài)下的特定組織或器官幾乎所有的轉(zhuǎn)錄本序列信息,從整體水平上分析基因的轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控規(guī)律,精確檢出特定基因的表達水平、差異剪接及轉(zhuǎn)錄本的等位基因特異性表達[5]。與傳統(tǒng)的文庫構(gòu)建、測序相比較,RNA-seq 技術(shù)具有所需樣品量少、背景信號低、成本較低等優(yōu)勢[6]。此外,在水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中,RNA-seq 技術(shù)可用于分析缺乏基因表達數(shù)據(jù)和參考基因組(reference genome)信息的非模式生物的毒理分子機制。傳統(tǒng)的研究方法受樣本量及檢測尺度的限制,不能在整體水平上反映細胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及調(diào)控規(guī)律,從而限制了對污染物毒理機制的深入分析;而RNA-seq 技術(shù)所需樣品量少,可在整體水平上鑒別因環(huán)境因子改變而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄組水平差異變化,成為鑒別環(huán)境污染物脅迫下機體基因差異表達變化的可靠手段。同時,RNA-seq 技術(shù)在尋找新的生物標志物、發(fā)現(xiàn)新的毒性通路中也扮演著重要角色。因此,RNA-seq 技術(shù)成為水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究的最佳方法之一。
目前,已有許多水生生物作為水生態(tài)毒理學(xué)研究的指示物種被用于研究污染物對不同生態(tài)位水生生物的毒性效應(yīng)及其作用機制[7]。本文介紹了RNA-seq 技術(shù)的基本流程與數(shù)據(jù)分析過程,同時也對該技術(shù)在不同生態(tài)位的水生毒理學(xué)研究中的應(yīng)用進展、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢進行了探討,以期為該技術(shù)在水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中的應(yīng)用,尤其是水生態(tài)環(huán)境中污染物脅迫水生生物機制的闡明及污染水域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供參考。
利用RNA-seq技術(shù)進行轉(zhuǎn)錄組測序的步驟主要包括文庫構(gòu)建、平臺測序及數(shù)據(jù)分析。平臺測序中,目前商業(yè)應(yīng)用的主要有454 FLX SOLiD?(Roche)、SOLiD?(Applied Biosystems)、Solexa GA(Illumina Life Technologies)這 3 個二代高通量測序平臺。該平臺依賴于體外克隆步驟(克隆擴增)來擴增無細胞系統(tǒng)中每個片段化的cDNA分子[8-9]。
盡管RNA-seq技術(shù)的應(yīng)用使獲取轉(zhuǎn)錄組序列更便捷,但會產(chǎn)生大量的原始序列,這些序列必須經(jīng)過生物信息學(xué)軟件和工具處理才能獲得有效的信息,因此,對于測序數(shù)據(jù)的分析處理尤其重要。利用RNA-seq 得到的海量原始序列需進行過濾、剪切和校正,從而去除低質(zhì)量序列、短序列、銜接子序列及污染序列,然后再進行讀段定位、轉(zhuǎn)錄本組裝、轉(zhuǎn)錄本定量及差異表達分析。常用的RNA-seq測序數(shù)據(jù)處理工具見表1。

表1 RNA-seq測序數(shù)據(jù)處理軟件Table 1 Processing tools of RNA-seq sequencing data
隨著測序技術(shù)的發(fā)展,RNA-seq 技術(shù)越來越多的應(yīng)用于水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中。利用該技術(shù)對暴露于污染水體中不同生態(tài)位的水生生物進行轉(zhuǎn)錄組測序和分析,可獲得差異表達基因,進而了解基因的表達情況及其調(diào)控機理。同時,RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用,有利于深入研究不同污染物脅迫水生生物的分子毒性機制。此外,轉(zhuǎn)錄組測序篩選獲得的分子生物標志物,可用于水域環(huán)境污染物的評估及預(yù)測,對水域環(huán)境污染進行預(yù)警。
魚類作為水生食物鏈的頂端生物,是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中具有重要作用。目前,斑馬魚(Danio rerio)是水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究通用的模式生物。汞是水環(huán)境中一種廣泛的有毒物質(zhì),會對魚類造成有害影響。采用RNA-seq技術(shù)對低濃度氯化汞(24~120 hpf HgCl2)暴露下斑馬魚幼體發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組進行分析,分別獲得391 個上調(diào)基因和87 個下調(diào)基因,包括補體激活(cfb、c3a、c3b和c3c)、化學(xué)刺激響應(yīng)(keap1a、keap1b)、蛋白酶體通路(psme1、psme2)、核受體信號傳導(dǎo)通路(nr1d1、nr4a1和nr1d2a)及蛋白激酶(sgk1、sgk2b)等與汞調(diào)節(jié)相關(guān)的基因,上述這些基因可作為潛在的生物標志物,與汞的分析化學(xué)檢測結(jié)合起來,用于檢查和評估汞污染的嚴重程度。此外,還表征了一種新的汞誘導(dǎo) ABCB(ATP-binding cassette B subfamily)轉(zhuǎn)運蛋白基因abcb5,該基因的過表達可顯著降低汞對細胞的毒性。上述研究結(jié)果有助于進一步了解斑馬魚幼蟲急性接觸汞后的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)和解毒能力[25]。氯氰菊酯(beta-cypermethrin,BCP)和毒死蜱(chlorpyrifos,CPF)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用引起的水環(huán)境污染問題已引起廣泛關(guān)注。對暴露在BCP、CPF及這2種農(nóng)藥混合物下的斑馬魚幼體進行RNA-seq,結(jié)果顯示,與單一農(nóng)藥暴露組相比,農(nóng)藥混合暴露組對斑馬魚轉(zhuǎn)錄組的影響更大,獲得的差異表達基因數(shù)量更多[26]。
目前,關(guān)于污染物對魚類幼體全轉(zhuǎn)錄特征和分子機制的研究主要集中于斑馬魚上,而將RNA-seq 技術(shù)用于研究更多魚類發(fā)育中污染物誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄特征,以確定用于監(jiān)測水生環(huán)境中污染物的生物標記物,對于水域生態(tài)環(huán)境保護具有非常重要的意義。利用RNA-seq 技術(shù)對暴露于8.0 mg·kg-1甲基毒死蜱(chlorpyrifos-methyl)前后的大西洋鮭魚(Salmo salar)腦、肝組織進行轉(zhuǎn)錄組分析,結(jié)果顯示,暴露30 d后,在腦組織中有98個顯著差異表達基因(differentially expressed genes,DEGs),而在暴露 67 d 時僅發(fā)現(xiàn)了 2 個;相較之下,在肝組織中分別獲得239、258 個DEGs,DEGs累積效應(yīng)與暴露時間正相關(guān)。這說明甲基毒死蜱可影響其腦組織中與神經(jīng)疾病和脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄表達[27]。水環(huán)境中鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[Di-(2-ethylhexyl)phthalate,DEHP]可通過食物鏈在水生生物體內(nèi)積累。通過研究DEHP對羅非魚肝臟轉(zhuǎn)錄組的影響,分別獲得3 217個上調(diào)基因和1 791 個下調(diào)基因。這些差異表達基因主要與機體免疫、生殖內(nèi)分泌以及脂類代謝相關(guān),可為在轉(zhuǎn)錄組水平篩選DEHP 生物標志物、解析DEHP 對羅非魚毒性作用的分子機制提供科學(xué)參考[28]。
在水環(huán)境中,污染物通常以復(fù)雜化合物的混合物形式存在,與單一污染物相比,可能對生物體產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響。如石油泄露可影響魚類種群數(shù)量和多樣性。通過RNA-seq技術(shù)分析重質(zhì)原油(Iranian heavy crude oil,IHCO)對胚胎發(fā)育期的野生牙鲆(Paralichthys olivaceus)及花鱸(Lateolabrax maculates)的發(fā)育毒性作用表明,IHCO 暴露可使這2種魚的基因表達發(fā)生改變,其中,具有解毒代謝功能的CYP1A1、CYP1B1、AHR 2等基因顯著上調(diào),而發(fā)育相關(guān)ORG基因則顯著下調(diào)。此外,牙鲆胚胎對新鮮重質(zhì)原油和風(fēng)化的重質(zhì)原油均敏感,而花鱸胚胎對風(fēng)化的重質(zhì)原油比對新鮮的重質(zhì)原油表現(xiàn)出更高的敏感性,這表明物種特異性差異很可能反映在漏油事件后的種群水平中[29]。
早前的研究大多集中在單一污染物的毒性上,較少關(guān)注多種毒物的綜合毒性以及它們之間相互作用,采用RNA-seq技術(shù),可鑒定不同物種中對混合污染物有特異性反應(yīng)的基因,用作環(huán)境風(fēng)險評估的潛在分子標記。因此,RNA-seq 技術(shù)是研究污染環(huán)境對魚類生態(tài)毒理效應(yīng)的有效方法,有助于闡明污染物暴露下魚類的轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機制,篩選差異表達基因及生物標志物,為水域環(huán)境污染評估提供依據(jù)。
兩棲動物的胚胎及幼體發(fā)育過程均在水域中進行,其皮膚對水體中的化學(xué)物質(zhì)具有較高的滲透性,也是檢測水域環(huán)境化學(xué)污染的理想物種。利用RNA-seq 技術(shù)研究有機磷殺蟲劑敵百蟲(trichlorfon)對中國林蛙(Rana chensinensis)成體肝臟的毒性作用機制,共獲得3 329 個DEGs,其中,與機體代謝和氧化應(yīng)激相關(guān)基因的mRNA表達水平顯著改變。如外源毒性物質(zhì)對CYP3A具有調(diào)節(jié)作用,毒性物質(zhì)敵百蟲在機體內(nèi)的蓄積可抑制CYP3A1基因表達;此外,外源毒性物質(zhì)可通過轉(zhuǎn)錄或有機體體內(nèi)的不完全降解來影響GST基因的表達,GST基因表達的下調(diào)說明它對敵百蟲在林蛙體內(nèi)的毒性降解等生理學(xué)過程具有重要作用[30]。水生環(huán)境中普遍存在的硝酸鹽成分可能對兩棲動物的生存、發(fā)育和變態(tài)有不利影響。利用RNA-seq 技術(shù)對硝酸鹽(nitrate)暴露前后的中華蟾蜍(Bufo gargarizans)蝌蚪的肝臟組織進行轉(zhuǎn)錄組分析,結(jié)果顯示,硝酸鹽暴露可引起膽汁分泌和氧化應(yīng)激等相關(guān)基因在mRNA水平上的表達顯著改變,進而導(dǎo)致肝組織病理變化[31]。過量氟會對人類和動物的骨骼發(fā)育產(chǎn)生損害。應(yīng)用RNA-seq技術(shù)對持續(xù)暴露在1、5、10和20 mg·L-1的氟化鈉4周后各處理組中G40 和G42 期B.gargarizans蝌蚪后肢進行轉(zhuǎn)錄組測序分析,結(jié)果表明,高濃度的氟化物會影響骨化相關(guān)基因mRNA 的表達,進而抑制軟骨內(nèi)骨化[32]。
上述研究應(yīng)用RNA-seq技術(shù)獲得了污染物暴露下中國林蛙和中華蟾蜍的轉(zhuǎn)錄組信息,通過對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析,有助于探究環(huán)境污染物對兩棲動物生長發(fā)育的毒理機制及組織病理變化機制,對了解非模式物種的毒性機制具有重要價值,可為兩棲物種的保護提供理論支持。同時,RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用也為兩棲物種環(huán)境暴露的分子機制提供了研究基礎(chǔ),可作為水環(huán)境風(fēng)險管理以及水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究的依據(jù)。
貝類可通過濾食方式攝食環(huán)境中的污染物,也是水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究的理想指示物種。采用RNA-seq 技術(shù)分析多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)對扇貝(Chlamys farreri)消化腺轉(zhuǎn)錄組的影響發(fā)現(xiàn),PAHs 可顯著改變應(yīng)激反應(yīng)、解毒、抗氧化等基因的表達[33]。其中,細胞色素P450(CYP4503A2、CYP4502P1)基因、醌氧化還原酶(quinone oxidoreductase,QO)基因和谷 胱 甘 肽-S-轉(zhuǎn) 移 酶(glutathione-S-transferase,GST)基因等上調(diào)基因可能作為PAHs 污染的潛在生物標志物,為進一步研究雙殼類對PAHs 污染響應(yīng)的分子機制及生物標志物的選擇提供依據(jù)。利用RNA-seq 技術(shù)對暴露于敵草隆(diuron)的太平洋牡蠣(Crassostrea gigas)子代幼體進行轉(zhuǎn)錄變化研究發(fā)現(xiàn),將親代暴露于污染物中會導(dǎo)致子代機體中與能量、蛋白質(zhì)合成及有絲分裂相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平升高,并且會在不同代際間傳遞[34]。此外,RNA-seq 技術(shù)也可用于研究水污染對貝類的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng),結(jié)果顯示,多瑙河沿岸垃圾傾倒點上下游貽貝(Margaritifera margaritifera)樣本轉(zhuǎn)錄組信息僅存在細微差異,老齡貽貝的初級代謝和生理機能受到影響,而幼齡個體對暴露于環(huán)境中的污染物則具有更好的恢復(fù)及適應(yīng)能力[35]。這一研究表明,年齡相關(guān)的個體之間的變異性可對污染物導(dǎo)致的影響產(chǎn)生掩蓋或偏差,因此,對于長壽命雙殼動物的生態(tài)毒理學(xué)研究應(yīng)限制在一個年齡范圍內(nèi),有利于對研究結(jié)果做出正確的判斷并對物種采取適當?shù)谋Wo措施。另一項轉(zhuǎn)錄組研究結(jié)果顯示,長期暴露于污水和城市徑流中的河蜆(Corbicula fluminea)參與排毒的基因顯著上調(diào),說明這2 個位點都存在有機污染。轉(zhuǎn)錄組測序的結(jié)果表明,接觸有機污染物可干擾細胞信號通路,從而導(dǎo)致能量障礙、細胞損傷、免疫紊亂和內(nèi)分泌紊亂。RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用可在整體水平上觀察到對生物體的有害后果之前,對水質(zhì)污染做出預(yù)警[36]。
水域環(huán)境或養(yǎng)殖系統(tǒng)的污染也會對甲殼類水生生物產(chǎn)生毒性作用。利用RNA-seq技術(shù)對暴露于原油的綠尾蝦(Metapenaeus bennettae)肝胰腺進行轉(zhuǎn)錄組分析,獲得了參與生物體解毒及氧化應(yīng)激的多種生物標志物,如細胞色素p450(cytochrome P450s)、甲殼類高血糖激素(crustacean hyperglycemic hormone,CHH)蛋白和熱休克蛋白(heat shock proteins,Hsps),用于判斷原油污染的存在[37]。對不同濃度Cd 處理后淡水蟹(Sinopotamon henanense)的肝胰腺進行RNA-seq 測序和基因表達分析的結(jié)果表明,Cd 暴露以濃度依賴的方式改變基因表達,參與大分子代謝、氧化磷酸化、解毒和抗氧化防御的基因上調(diào),而除參與吞噬作用外的其他免疫相關(guān)基因下調(diào),提示淡水蟹可能通過增加代謝、排毒和抗氧化防御相關(guān)基因的表達水平而在轉(zhuǎn)錄組水平上降低Cd 的毒性[38]。應(yīng)用RNA-seq技術(shù)考察了大型溞在攝食經(jīng)納米銀和銀離子暴露的斜生柵藻細胞后的基因毒性作用,結(jié)果表明,編碼磷脂酶PLA2G和磷脂酶D基因的表達量均下調(diào),導(dǎo)致磷脂酶的合成量下降,進而影響到大型溞小腸正常的消化功能及磷脂類脂質(zhì)的代謝過程[39]。集約化養(yǎng)殖系統(tǒng)和環(huán)境污染產(chǎn)生的高濃度氨會對對蝦類產(chǎn)生脅迫作用。然而,目前對于該脅迫相關(guān)的分子機制知之甚少。應(yīng)用RNA-seq 技術(shù)分析凡納濱對蝦(Litopenaeus vannamei)的抗氨氮脅迫關(guān)鍵基因和代謝途徑,結(jié)果顯示,14 個 GO 功能注釋和 6 個 KEGG 通路顯著改變,在獲得的3 145 個DEGs 中有136 個與水生物種中已知的基因具有較高的同源性,有94 個與免疫功能相關(guān),其余的基因參與細胞凋亡、生長、蛻皮和滲透調(diào)節(jié)。此外,與凋亡和氨氮代謝有關(guān)基因表達的改變在減少氨的毒性中起重要作用[40]。上述結(jié)果反映了急性氨脅迫早期對基因表達和代謝通路的影響。氨脅迫可抑制免疫系統(tǒng),增加蝦對病原體的易感性,該研究將為進一步研究氨脅迫引起對蝦免疫抑制的分子機制提供重要信息。
綜上,RNA-seq 技術(shù)研究有助于在分子水平上開展污染物毒性作用機理及環(huán)境風(fēng)險早期評價方面的研究。通過對外源污染物脅迫下基因表達動態(tài)(上調(diào)或下調(diào))和代謝途徑變化的分析,可為污染暴露脅迫下機體的代謝反應(yīng)機理研究提供分子基礎(chǔ),同時也可篩選水生環(huán)境重金屬污染檢測的生物標記物,為水生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評價提供科學(xué)依據(jù)。
水域是水生生物賴以生存的環(huán)境,隨著工業(yè)化、城市化進程的加速,水污染不僅嚴重威脅著水域生態(tài)系統(tǒng)平衡,影響水生生物的生存、繁衍,還可通過食物鏈傳遞,危害人類健康[41]。而RNA-seq 技術(shù)在水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中的應(yīng)用,對于闡明有毒化學(xué)物對水生生物的影響、預(yù)測并減少水體污染物對水生生物和環(huán)境的影響等均具有優(yōu)勢。目前,水生生物中僅有模式生物斑馬魚和少量水生生物的基因組可作為參考序列,而RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用不需要參考基因組,可直接將得到的序列與數(shù)據(jù)庫中的核苷酸序列進行比對、基因功能分類與注釋。
與傳統(tǒng)的文庫構(gòu)建、測序技術(shù)相較,RNA-seq技術(shù)的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢,如所需樣品量少、背景信號低、成本較低。但其技術(shù)本身仍存在不足。首先,RNA 提取過程需去除rRNA 會帶來改變其他RNA 濃度的潛在風(fēng)險,有可能使檢測到的RNA 發(fā)生偏差。其次,測序平臺需要在測序之前進行擴增,這一步驟會根據(jù)GC 含量和長度引入偏差[42]。與此同時,RNA-seq 技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn):①測序所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的高效快捷處理,需要研究開發(fā)更好的數(shù)據(jù)處理方法和軟件;②如何通過理論與技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)合,將RNA-seq數(shù)據(jù)分析、綜合、存儲與傳統(tǒng)生物學(xué)、化學(xué)、毒理學(xué)研究有效結(jié)合起來,使其更好地在水生生物毒理學(xué)研究中發(fā)揮作用,有待更深入的研究;③由于基因組中轉(zhuǎn)錄活性變化很大,如何選擇合適的測序深度以達到足夠的覆蓋度并降低檢測成本,還需要進一步考量[5]。
在過去的十幾年里,RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用對于水生生物對環(huán)境污染物的反應(yīng)所涉及的分子機制的研究起到了很好的推動作用。現(xiàn)有的研究主要是應(yīng)用RNA-seq技術(shù)來研究有毒物質(zhì)對某一個特定時期的水生生物的影響,而低劑量或?qū)嶋H環(huán)境濃度的水域污染對處于不同發(fā)育階段水生生物的毒性作用機制的動態(tài)研究尚欠缺,后續(xù)需加強這方面的研究[43]。RNA-seq 技術(shù)在水生生物生態(tài)毒理學(xué)研究中的應(yīng)用,不僅為研究污染物脅迫下水生生物機體轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制提供了便利,而且也為特定藥物毒理學(xué)研究提供了平臺,同時其所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)也可為不同水生生物的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。