砷对秀丽隐杆线虫毒理机制的研究进展

赵红莲，徐芳，李怀红，邹伟

（昆明医科大学 公共卫生学院，云南昆明 650500）

砷在地壳中分布广泛，可与黄铁矿形成复合体，但很容易从矿物中解离出来，进入土壤和水中[1]。砷暴露通常会扰乱植物新陈代谢，影响土壤动物的生长，长期接触砷与人类癌症、糖尿病、心血管疾病和生殖缺陷的发生有关[2-3]。砷的生物转化主要由环境中的微生物介导，包括As（V）还原、As（Ⅲ）氧化、甲基化、去甲基化和转运等过程。单质砷基本无毒，砷化合物均有毒性。其中，三价砷比五价砷毒性大，而无机砷毒性强于有机砷[4]。线虫在土壤生态系统的食物网中扮演着重要的角色[5]，秀丽隐杆线虫因体积小、易于实验室维护和生命周期短等特点成为研究环境毒理学和宿主-肠道微生物群相互作用的一种新兴模式生物。线虫对毒物暴露非常敏感，暴露于砷可引起自由基生成和抗氧化防御系统失衡所致的氧化应激[6]。以秀丽隐杆线虫为模式生物，有助于揭示污染环境下宿主生理活动作用机制。本文从秀丽隐杆线虫对砷化合物代谢以及砷化合物对线虫糖代谢、生殖毒性、寿命、跨代遗传的影响等方面进行综述，探讨砷化合物对秀丽隐杆线虫的毒理机制。

1 秀丽隐杆线虫对砷化合物的代谢

秀丽隐杆线虫通过咽部神经肌肉器官的节律性收缩将含有细菌的液体泵入其口腔以获取食物，砷化合物可随线虫的摄食而进入线虫体内[7]。线虫中的半乳糖凝集素LEC-1与脊椎动物半乳糖凝集素GAL-1同源，是一种含有6个巯基的糖结合蛋白，这些巯基是As（Ⅲ）的高亲和力结合位点，参与As（Ⅲ）的毒性作用[8]。线粒体作为As（Ⅲ）毒性的主要细胞靶点而富集As（Ⅲ），As（Ⅲ）对蛋白质中的巯基有很高的亲和力，导致包括电子传递链复合物Ⅱ和Ⅳ在内的多种酶的失活，引起线粒体损伤并诱导ROS产生[9-10]。

自噬是一种重要的细胞自我防御过程，可以消除错误折叠的蛋白质并破坏被损害的细胞器，特别是功能障碍的线粒体，来抵御As（Ⅲ）诱导的毒性[11]。低剂量As（Ⅲ）不能诱导线虫的自噬基因lgg-1和atg-18表达，表明自噬在非致死浓度的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）对细胞内谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的合成是必需的，GSH在保护线虫由砷引起的氧化应激所致中毒过程中具有关键作用，但其具体机制有待进一步研究[12]。

近期，一些研究发现氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）能显著保护线虫线粒体免受As（Ⅲ）攻击，并抑制As（Ⅲ）诱导产生ROS的过程，从而使As（Ⅲ）诱导的毒性降至最低。GO通过共运输影响As（Ⅲ）的吸收和排泄[13]，As（Ⅲ）在GO上的吸附可能会减轻毒物的蓄积，同时GO对LEC-1蛋白产生抑制，最终促进了As（Ⅲ）在体内的清除[10]。此外，有研究表明线虫中砷的还原和甲基化是由其肠道微生物介导的[14]，大肠杆菌BL21或BL21M染色体ars操纵子（ArsR、ArsB和ArsC）介导对As（Ⅲ）的抗性。ArsR是一种AS（Ⅲ）反应的操纵子阻遏因子，在细胞内与As（Ⅲ）结合后导致As（Ⅲ）失去活性。此外，ArsB可将由ArsC还原而来的AS（Ⅲ）排出至胞外[14]。

综上所述，三价砷在秀丽隐杆线虫线粒体的富集，会引起线粒体损伤和ROS的产生。自噬可以消除错误折叠的蛋白质，以抵御As（Ⅲ）诱导的毒性。此外，氧化石墨烯和线虫的肠道微生物对线虫砷中毒具有保护作用。

2 砷对线虫的毒理作用研究

目前，砷对秀丽隐杆线虫的毒理作用研究主要集中于对糖代谢的影响[15]、生殖毒性[16]和寿命的影响[17]等方面。

2.1 砷对秀丽隐杆线虫糖代谢的影响

糖酵解和糖异生途径受砷暴露的影响[15]：（1）砷抑制了线虫的糖酵解途径，从而提高了线虫体内葡萄糖水平；（2）砷通过抑制糖原合成和促进糖原分解来降低糖原水平，从而增加葡萄糖水平；（3）尽管砷暴露会影响糖异生途径，但这可能不是砷引起线虫葡萄糖水平上升的主要原因。总的来说，砷暴露增加线虫体内葡萄糖水平可能是通过抑制糖酵解和糖原生成通路中葡萄糖转运体和关键酶的基因表达水平来实现的[15]。亚砷酸钠暴露，线虫体内糖酵解途径相关基因己糖激酶（hxk-2）、6-磷酸果糖激酶（pfk-1.1）和丙酮酸激酶（pyk-1）mRNA的表达水平均降低[15]。此外，砷的暴露会影响线虫的葡萄糖代谢，并且这种影响在砷暴露停止后仍然会持续几代[18]。进一步研究发现，亚砷酸盐暴露，增加了线虫F0代血液总葡萄糖含量，并且fgt-1的跨代下调使得在后代中血液葡萄糖含量也随之升高。

2.2 砷对秀丽隐杆线虫产生生殖毒性

生殖系统具有产生生殖细胞、繁衍后代的作用，在秀丽隐杆线虫繁殖后代的过程中具有关键作用，如果生殖系统遭到损伤会严重影响其繁衍[16]。砷（As）等生物毒性较大的重金属元素渗入土壤以及水体中后，可通过食物链富集进入人体，对人类健康造成威胁。有研究显示，当秀丽隐杆线虫接触重金属后，世代时间会明显延长，但是后代的数目会明显减少[16]。此外，亚砷酸钠暴露会导致线虫生殖细胞周期阻滞和细胞凋亡，线虫的产卵率明显降低，且生殖细胞具有遗传毒性[18]。

2.3 砷对秀丽隐杆线虫寿命的影响

寿命可以反映毒物暴露的长期影响。秀丽隐杆线虫的寿命通常为3周左右，影响秀丽隐杆线虫寿命的因素很多，主要包括繁殖期的温度、饮食、紫外线辐射等，亲代寿命对子代寿命的影响很小。亚砷酸盐暴露可显著缩短线虫的寿命：在亚砷酸盐暴露下，秀丽隐杆线虫的排便率下降，与年龄相关的排便率的退化暗示着线虫的生理衰老；肠道脂褐素和热休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）mRNA水平的积累是线虫衰老的生物标志物，老年野生型线虫肠道脂褐素积累和HSPs表达水平呈年龄依赖性增加，亚砷酸盐暴露进一步增强了老年野生型线虫肠道脂褐素的积累和HSPs的表达[17]；此外，慢性亚砷酸盐暴露导致细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的过量产生，加速衰老进程，转录因子DAF-16/FOXO可通过调控超氧化物歧化酶SOD-3的表达增强保护生物体免受氧化应激损伤[19]。

3 砷对秀丽隐杆线虫影响的跨代遗传

母本（F0）代在妊娠期或更早期接触各种环境毒物会产生不良影响，可在后代（F1代）、多代（F2代）或跨代（F3及以上）中导致发病。将同步培养的秀丽隐杆线虫暴露在砷环境下，其后代则在新鲜的线虫生长培养基NGM上培养。结果表明，砷对线虫的各种行为指标（头部摆动、身体弯曲、运动速度、运动轨迹波长、身体振幅等）均有影响，且影响一般从24 h开始累积，并持续整个暴露过程。这些行为障碍具有跨代性，各种行为指标在跨代间的反应逐渐减弱[20]。当F0暴露于砷环境时，线虫幼虫的体型显著减小，这种表型也出现在未食用含亚砷酸盐食物的后代（F1～F5）中[18]。组蛋白赖氨酸特异性去甲基酶（Lysine Specific Demethylase 1，LSD-1，又称 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）中明显下降，且F0～F3世代增加了H3K4的二甲基化，因此母体砷暴露可能导致线虫产生跨代生殖效应，这可能与H3K4二甲基化和spr-5基因下调有关[18]。

4 结语

秀丽隐杆线虫虽然结构较哺乳动物简单，但仍具有高度的基因组同源性，以秀丽隐杆线虫为模式生物，探索砷在动物体内的毒理机制具有较高的研究价值。砷是一种已知的人类致癌物，受砷污染的地下水对人们的健康构成重大威胁，使砷中毒成为一个世界性的公共卫生问题。砷暴露与许多不良反应有关，如皮肤病、癌症（皮肤癌、膀胱癌、肾癌和肺癌）、外周血管疾病、生殖毒性和神经毒性效应。以秀丽隐杆线虫为模式生物研究砷化合物的毒理机制，主要集中于砷化合物对线虫糖代谢、生殖毒性、寿命、跨代遗传等方面的影响。然而，砷的神经毒性和对衰老的影响关注较少，相应机制尚不十分清楚，需要加强对这些未知领域的深入探索，以进一步揭示砷代谢和其相应的毒理学机制。