【原】科研 | Chemosphere：美国韦恩州立大学Tracie R. Baker教授揭示Pb2+诱导斑马鱼脑转录组的跨代变化

转录组 2021-04-20

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编译：冬日暖阳，编辑：十九、江舜尧。

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导读

铅（Pb²⁺）是城市儿童的主要公共健康危害，在整个生命周期中具有深刻且特征明确的发展和行为影响。早期暴露于Pb²⁺诱导表观遗传变化的能力已得到充分确立，这表明Pb²⁺诱导的神经行为缺陷可能世代相传。了解铅暴露的长期和多代影响对于阐明这些行为结果背后的基因型改变和遗传力的潜在机制至关重要。尽管人们对铅（Pb²⁺）的常见污染途径有了更多的认识和管理，但密歇根州弗林特水危机证明，在许多易感社区中，铅污染的低收入住房和水基础设施的持续存在，仍使幼儿和孕妇/有长期健康风险的哺乳期妇女。发育过程中的Pb²⁺暴露可通过多种机制改变神经系统的形态，包括破坏血脑屏障的建立，突触增殖和修剪的改变。干扰甲状腺激素向大脑的运输和神经递质释放的变化，影响了谷氨酸能系统，这与学习和记忆有关和多巴胺能系统，这与执行功能和注意力有关。尽管40年前首次观察到早期铅暴露对智商水平的影响，当时平均BLL为15μg Pb²⁺/dL，但此后的研究报告了在暴露水平持续降低的情况下行为失调以及言语和学习障碍，提示没有铅对神经系统的影响。

论文ID

原名：Developmental exposure to Pb2+ inducestransgenerational changes to zebrafish brain transcriptome

译名：Pb2+诱导斑马鱼脑转录组的发育跨代变化

期刊：Chemosphere

IF：5.1

发表时间：2019.12.2

通讯作者：Tracie R. Baker

通讯作者单位：美国韦恩州立大学

DOI号：10.1016/j.chemosphere.2019.125527

实验设计

本研究对F2代鱼的大脑进行了Quant-Seq基因表达分析，以确定由于祖先Pb²⁺暴露而导致基因表达的跨代变化。据研究者所知，这项研究是斑马鱼首次用于模拟Pb²⁺暴露的跨代效应。然而，其他人已经很好地确定了斑马鱼中F0铅的暴露会导致行为，神经形态学和转录组学分析所表明的神经功能障碍。斑马鱼越来越多地用于模拟神经系统发育过程中毒物暴露的后果，因为它们与人类共享整体的大脑结构同源性，基本行为神经回路和神经发育基因网络，并具有高繁殖力，快速神经发育和外部受精的优势。

结果

1 定量测序

转录本表达定量显示，在评估雌雄组合后，对照和铅处理的斑马鱼的F2后代的大脑中有648个差异表达的基因（图1A）。在这些基因中，有52％被下调，而48％被上调。在雌鱼中，我们发现了338个差异表达基因，其中66％上调和34％下调（图1B），而在雄性鱼中，处理和对照鱼中有411个基因差异表达，其中40％上调和60个下调的百分比（图1C）。用IPA软件评估差异表达的基因，并根据文献确定哪些生物学和疾病相关途径在F2铅血统鱼类中富集。总体而言，很多途径涉及神经和内分泌系统功能以及表观遗传修饰。涉及神经系统，内分泌系统和感兴趣的表观遗传途径的特定基因的热图如图2所示。

途径分析确定这些差异基因主要涉及神经系统和胚胎/生物发育相关，具体来说，神经系统发育和功能以及神经系统疾病这两个主要途径发生了变化，涉及神经系统形态的过程中分别涉及117个基因（占总数的18％）和138个基因（占总数的21％）。

在所有F2铅处理鱼类中，参与学习，记忆和行为的基因均差异表达。这些基因中的大多数被下调，包括mapk1，creb1b，camkk1a和egr1，以及上调的基因cebpd。牵涉神经传递的基因通常也被下调，这些基因包括erbb4a，ephb2b，gsk3b，mtor，synj1，nlgn3a和stxbp1a。我们还观察到与神经发生，轴突发生和大脑发育有关的基因的下调，包括tgif1，tbc1d23，kif5c，metrn，klf7b，fezf2，neurod6a，fgf13a和egln3。

图1. F2对照和铅处理下的成年斑马鱼脑之间的差异表达基因

图2.差异表达的基因在不同途径中的表达热图

3.2 定量PCR

选择来自具有高倍变化和/或低p值的Quant-Seq分析的差异表达基因进行qRT-PCR验证。所有基因的倍数变化方向在Quant-Seq分析和qRT-PCR验证之间是一致的。

讨论

这项研究是第一个将遗传性铅诱导的斑马鱼模型中遗传的神经行为和转录组结果联系起来的研究，为有关铅处理的跨代效应的小型研究工作提供了新发现。尽管我们观察到的许多受影响的神经行为途径由于早期生命的铅处理而发生了经典改变，包括与LTM相关的细胞内信号传导，突触功能和可塑性，神经发生，内分泌稳态，表观遗传修饰，神经变性和昼夜节律，但很少有研究表征了他们的后代。我们的发现表明，转录组失调的F2模式与直接铅处理的预期效果非常一致。这表明特定的铅诱导的突变可能不会在几代人中缓和，但至少会持续到斑马鱼的F2代。扩大该项目世代范围的未来研究将阐明这种继承的程度。F2铅谱系鱼中有几种表观遗传修饰途径受到差异调节。这些是介导这些对表观基因组稳定作用的有希望的靶标，并且也值得在未来的研究中进行充分表征。疾病控制中心认为尚未确定安全的血铅水平。因此，我们的转录组学和先前的行为学发现，即铅的深远的神经学影响不仅仅局限于处理的世代，引起了公众健康的极大关注，这促使人们对这种环境引起的疾病的特定遗传和表观遗传机制进行了调查，并提出了潜在的建议。在每个受影响的世代进行干预的目标。

在这项研究中，试验对F2代鱼的大脑进行了Quant-Seq基因表达分析，以确定由于祖先Pb²⁺暴露而导致基因表达的跨代变化。据研究者所知，这项研究是斑马鱼首次用于模拟Pb²⁺暴露的跨代效应。然而，其他人已经很好地确定了斑马鱼中F0铅的暴露会导致行为，神经形态学和转录组学分析所表明的神经功能障碍。斑马鱼越来越多地用于模拟神经系统发育过程中毒物暴露的后果，因为它们与人类共享整体的大脑结构同源性，基本行为神经回路和神经发育基因网络，并具有高繁殖力，增快神经发育和外部受精的优势。