砷對秀麗隱桿線蟲毒理機制的研究進展

趙紅蓮，徐芳，李懷紅，鄒偉

（昆明醫科大學 公共衛生學院，云南昆明 650500）

砷在地殼中分布廣泛，可與黃鐵礦形成復合體，但很容易從礦物中解離出來，進入土壤和水中[1]。砷暴露通常會擾亂植物新陳代謝，影響土壤動物的生長，長期接觸砷與人類癌癥、糖尿病、心血管疾病和生殖缺陷的發生有關[2-3]。砷的生物轉化主要由環境中的微生物介導，包括As（V）還原、As（Ⅲ）氧化、甲基化、去甲基化和轉運等過程。單質砷基本無毒，砷化合物均有毒性。其中，三價砷比五價砷毒性大，而無機砷毒性強于有機砷[4]。線蟲在土壤生態系統的食物網中扮演著重要的角色[5]，秀麗隱桿線蟲因體積小、易于實驗室維護和生命周期短等特點成為研究環境毒理學和宿主-腸道微生物群相互作用的一種新興模式生物。線蟲對毒物暴露非常敏感，暴露于砷可引起自由基生成和抗氧化防御系統失衡所致的氧化應激[6]。以秀麗隱桿線蟲為模式生物，有助于揭示污染環境下宿主生理活動作用機制。本文從秀麗隱桿線蟲對砷化合物代謝以及砷化合物對線蟲糖代謝、生殖毒性、壽命、跨代遺傳的影響等方面進行綜述，探討砷化合物對秀麗隱桿線蟲的毒理機制。

1 秀麗隱桿線蟲對砷化合物的代謝

秀麗隱桿線蟲通過咽部神經肌肉器官的節律性收縮將含有細菌的液體泵入其口腔以獲取食物，砷化合物可隨線蟲的攝食而進入線蟲體內[7]。線蟲中的半乳糖凝集素LEC-1與脊椎動物半乳糖凝集素GAL-1同源，是一種含有6個巰基的糖結合蛋白，這些巰基是As（Ⅲ）的高親和力結合位點，參與As（Ⅲ）的毒性作用[8]。線粒體作為As（Ⅲ）毒性的主要細胞靶點而富集As（Ⅲ），As（Ⅲ）對蛋白質中的巰基有很高的親和力，導致包括電子傳遞鏈復合物Ⅱ和Ⅳ在內的多種酶的失活，引起線粒體損傷并誘導ROS產生[9-10]。

自噬是一種重要的細胞自我防御過程，可以消除錯誤折疊的蛋白質并破壞被損害的細胞器，特別是功能障礙的線粒體，來抵御As（Ⅲ）誘導的毒性[11]。低劑量As（Ⅲ）不能誘導線蟲的自噬基因lgg-1和atg-18表達，表明自噬在非致死濃度的As（Ⅲ）毒性中的作用有限。此外，谷氨酰半胱氨酸合成酶-1（Glutamate cysteine ligase-1，GCS-1）對細胞內谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的合成是必需的，GSH在保護線蟲由砷引起的氧化應激所致中毒過程中具有關鍵作用，但其具體機制有待進一步研究[12]。

近期，一些研究發現氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）能顯著保護線蟲線粒體免受As（Ⅲ）攻擊，并抑制As（Ⅲ）誘導產生ROS的過程，從而使As（Ⅲ）誘導的毒性降至最低。GO通過共運輸影響As（Ⅲ）的吸收和排泄[13]，As（Ⅲ）在GO上的吸附可能會減輕毒物的蓄積，同時GO對LEC-1蛋白產生抑制，最終促進了As（Ⅲ）在體內的清除[10]。此外，有研究表明線蟲中砷的還原和甲基化是由其腸道微生物介導的[14]，大腸桿菌BL21或BL21M染色體ars操縱子（ArsR、ArsB和ArsC）介導對As（Ⅲ）的抗性。ArsR是一種AS（Ⅲ）反應的操縱子阻遏因子，在細胞內與As（Ⅲ）結合后導致As（Ⅲ）失去活性。此外，ArsB可將由ArsC還原而來的AS（Ⅲ）排出至胞外[14]。

綜上所述，三價砷在秀麗隱桿線蟲線粒體的富集，會引起線粒體損傷和ROS的產生。自噬可以消除錯誤折疊的蛋白質，以抵御As（Ⅲ）誘導的毒性。此外，氧化石墨烯和線蟲的腸道微生物對線蟲砷中毒具有保護作用。

2 砷對線蟲的毒理作用研究

目前，砷對秀麗隱桿線蟲的毒理作用研究主要集中于對糖代謝的影響[15]、生殖毒性[16]和壽命的影響[17]等方面。

2.1 砷對秀麗隱桿線蟲糖代謝的影響

糖酵解和糖異生途徑受砷暴露的影響[15]：（1）砷抑制了線蟲的糖酵解途徑，從而提高了線蟲體內葡萄糖水平；（2）砷通過抑制糖原合成和促進糖原分解來降低糖原水平，從而增加葡萄糖水平；（3）盡管砷暴露會影響糖異生途徑，但這可能不是砷引起線蟲葡萄糖水平上升的主要原因。總的來說，砷暴露增加線蟲體內葡萄糖水平可能是通過抑制糖酵解和糖原生成通路中葡萄糖轉運體和關鍵酶的基因表達水平來實現的[15]。亞砷酸鈉暴露，線蟲體內糖酵解途徑相關基因己糖激酶（hxk-2）、6-磷酸果糖激酶（pfk-1.1）和丙酮酸激酶（pyk-1）mRNA的表達水平均降低[15]。此外，砷的暴露會影響線蟲的葡萄糖代謝，并且這種影響在砷暴露停止后仍然會持續幾代[18]。進一步研究發現，亞砷酸鹽暴露，增加了線蟲F0代血液總葡萄糖含量，并且fgt-1的跨代下調使得在后代中血液葡萄糖含量也隨之升高。

2.2 砷對秀麗隱桿線蟲產生生殖毒性

生殖系統具有產生生殖細胞、繁衍后代的作用，在秀麗隱桿線蟲繁殖后代的過程中具有關鍵作用，如果生殖系統遭到損傷會嚴重影響其繁衍[16]。砷（As）等生物毒性較大的重金屬元素滲入土壤以及水體中后，可通過食物鏈富集進入人體，對人類健康造成威脅。有研究顯示，當秀麗隱桿線蟲接觸重金屬后，世代時間會明顯延長，但是后代的數目會明顯減少[16]。此外，亞砷酸鈉暴露會導致線蟲生殖細胞周期阻滯和細胞凋亡，線蟲的產卵率明顯降低，且生殖細胞具有遺傳毒性[18]。

2.3 砷對秀麗隱桿線蟲壽命的影響

壽命可以反映毒物暴露的長期影響。秀麗隱桿線蟲的壽命通常為3周左右，影響秀麗隱桿線蟲壽命的因素很多，主要包括繁殖期的溫度、飲食、紫外線輻射等，親代壽命對子代壽命的影響很小。亞砷酸鹽暴露可顯著縮短線蟲的壽命：在亞砷酸鹽暴露下，秀麗隱桿線蟲的排便率下降，與年齡相關的排便率的退化暗示著線蟲的生理衰老；腸道脂褐素和熱休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）mRNA水平的積累是線蟲衰老的生物標志物，老年野生型線蟲腸道脂褐素積累和HSPs表達水平呈年齡依賴性增加，亞砷酸鹽暴露進一步增強了老年野生型線蟲腸道脂褐素的積累和HSPs的表達[17]；此外，慢性亞砷酸鹽暴露導致細胞內活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的過量產生，加速衰老進程，轉錄因子DAF-16/FOXO可通過調控超氧化物歧化酶SOD-3的表達增強保護生物體免受氧化應激損傷[19]。

3 砷對秀麗隱桿線蟲影響的跨代遺傳

母本（F0）代在妊娠期或更早期接觸各種環境毒物會產生不良影響，可在后代（F1代）、多代（F2代）或跨代（F3及以上）中導致發病。將同步培養的秀麗隱桿線蟲暴露在砷環境下，其后代則在新鮮的線蟲生長培養基NGM上培養。結果表明，砷對線蟲的各種行為指標（頭部擺動、身體彎曲、運動速度、運動軌跡波長、身體振幅等）均有影響，且影響一般從24 h開始累積，并持續整個暴露過程。這些行為障礙具有跨代性，各種行為指標在跨代間的反應逐漸減弱[20]。當F0暴露于砷環境時，線蟲幼蟲的體型顯著減小，這種表型也出現在未食用含亞砷酸鹽食物的后代（F1～F5）中[18]。組蛋白賴氨酸特異性去甲基酶（Lysine Specific Demethylase 1，LSD-1，又稱 KDM1）和早衰蛋白缺陷抑制因子SPR-5的mRNA水平在F0（暴露的世代）及之后的F1～F3（未暴露世代）中明顯下降，且F0～F3世代增加了H3K4的二甲基化，因此母體砷暴露可能導致線蟲產生跨代生殖效應，這可能與H3K4二甲基化和spr-5基因下調有關[18]。

4 結語

秀麗隱桿線蟲雖然結構較哺乳動物簡單，但仍具有高度的基因組同源性，以秀麗隱桿線蟲為模式生物，探索砷在動物體內的毒理機制具有較高的研究價值。砷是一種已知的人類致癌物，受砷污染的地下水對人們的健康構成重大威脅，使砷中毒成為一個世界性的公共衛生問題。砷暴露與許多不良反應有關，如皮膚病、癌癥（皮膚癌、膀胱癌、腎癌和肺癌）、外周血管疾病、生殖毒性和神經毒性效應。以秀麗隱桿線蟲為模式生物研究砷化合物的毒理機制，主要集中于砷化合物對線蟲糖代謝、生殖毒性、壽命、跨代遺傳等方面的影響。然而，砷的神經毒性和對衰老的影響關注較少，相應機制尚不十分清楚，需要加強對這些未知領域的深入探索，以進一步揭示砷代謝和其相應的毒理學機制。