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我院最新研究成果揭示四种常见抗生素对脂肪代谢的干扰效应
2022年11月10日 15:22 返回列表

近日,院在Science of the Total Environment期刊发表题为“Antibiotics Disrupt Lipid Metabolism in Zebrafish (Danio rerio) Larvae and 3T3-L1 Preadipocytes”的研究论文。

第一作者:雷雨洋

通讯作者:李敏杰,郭良宏

DOI10.1016/j.scitotenv.2022.159755

内容提要

· 四种常见的抗生素不同程度地干扰了斑马鱼幼鱼和小鼠前脂肪细胞的脂质代谢;

· 氟苯尼考和多西环素诱发了斑马鱼幼鱼的代谢相关的发育异常;

· 磺胺二甲嘧啶在改变斑马鱼和小鼠前脂肪细胞脂质代谢相关基因表达方面最具破坏性;

      · 磺胺二甲嘧啶可能通过抑制PPARγ的活性来干扰脂代谢。

导读

抗生素作为新兴环境污染物,由于其在环境中的高消费和假持久性而受到广泛关注。它们已被证明可以诱发实验动物肥胖或与肥胖有关的代谢疾病,但其潜在的毒理学机制仍不清楚。在这项研究中,选取了环境中检测到的四类典型抗生素作为测试化合物,分别是多西环素(DC)、恩诺沙星(ENR)、氟苯尼考(FF)和磺胺二甲嘧啶SMT)。在1 ng/L10 mg/L的环境检测浓度下,以及100 mg/L的高浓度环境下,它们对脂质代谢的影响和毒性机制分别进行了体内和体外研究。首先,以斑马鱼胚胎为体内模型,研究了抗生素对其发育形态、脂质含量以及促进脂肪生成和脂肪分解的关键基因的干扰,以评估抗生素暴露对生命早期阶段脂质代谢的影响。然后,以3T3-L1前脂肪细胞为体外模型,通过测定分化后脂质含量和关键基因的变化进一步验证了抗生素对脂质代谢的影响。最后,用萤光素酶报告基因实验评估了抗生素对PPARγ转录活性的影响,以研究脂质代谢破坏的分子机制。

图文摘要

主要内容

斑马鱼体内实验结果表明,四种抗生素对斑马鱼胚胎的急性毒性依次为:DC > FF > ENR > SMTENRSMT不影响幼发育过程中的形态,但FFDC在高浓度下会引畸形(图1

1 抗生素对斑马鱼胚胎存活率孵化率形态学变化的影响

因为幼鱼的发育和生存受到干扰可能是由代谢异常引起的。随后测定了抗生素暴露期间斑马鱼胚胎的脂质含量。四种抗生素除了100 μg/L SMT,总体上对斑马鱼幼鱼的TC含量没有影响。但这四种抗生素对TG含量有着不同的影响,都造成了斑马鱼胚胎中TG水平的不平衡(图2)。并且四种抗生素不同程度的影响脂代谢基因的表达(图3)。

2 抗生素暴露后斑马鱼幼鱼甘油三酯(TG)和总胆固醇(TC)含量变化

3 抗生素对斑马鱼幼鱼中脂质代谢相关基因表达的影响

在体外细胞水平上,我们的结果显示,抗生素干扰了前脂肪细胞的成脂分化过程。从脂质含量(图4)和脂代谢相关基因的表达水平(图5)可以看出,四种抗生素对细胞的影响是不同的。不过,这四种抗生素还是促进了PPARγ及其下游基因的表达。抗生素诱导的剂量效应是非单调的。,这里需要指出的是,以前的研究在测量脂质含量和基因表达时,大多只使用了单一或狭窄范围的抗生素浓度,因此不能进行更直接的比较。

4 抗生素对3T3-L1前脂肪细胞的脂肪生成的影响

5 抗生素对3T3-L1脂肪细胞脂代谢相关基因表达的影响

斑马鱼幼鱼和3T3-L1前脂肪细胞中被抗生素干扰的大部分基因都是由PPARγ调节的。该受体作为转录因子在调节脂质平衡和能量平衡方面起着至关重要的作用。我们的结果显示,四种抗生素对m-PPARγ和zf-PPARγ的转录活性产生了不同的影响。相当清楚的是,SMT抑制了转染细胞中的PPARγ活性,而ENR、DC和FF对PPARγ活性的影响则没有那么确凿(图6)。

6 抗生素对PPARγ转录活性的影响

上述基因表达或PPARγ转录活性的结果分别表明,四种抗生素通过不同的机制发挥了脂质代谢破坏作用。为了进一步支持这一观察,通过分析四种抗生素在九种测试浓度下斑马鱼的基因表达和zf-PPARγ的转录活性的综合结果进行聚类分析。同样,通过分析四种抗生素在九种测试浓度下小鼠前脂肪细胞的基因表达和m-PPARγ的转录活性的综合结果,也进行了聚类分析。在图7显示的热图中,聚类位置越近或两个数据点之间的距离越短,它们之间的关系就越密切。从图7A可以看出,斑马鱼的DC和SMT数据聚集在一起,表明SMT和DC对斑马鱼的作用方式可能与ENR和FF不同。在图7B中,只有来自小鼠的SMT数据聚集在一起,表明SMT对3T3-L1细胞的作用方式可能也与其他三种抗生素不同。鉴于SMT在斑马鱼和3T3-L1细胞中的基因表达和PPARγ转录活性之间的关系,可以推测SMT可能以类似的方式在体内和体外发挥其脂质代谢破坏作用,即通过抑制PPARγ活性。当然,这一推测需要通过更多的体内实验来验证。

7 不同浓度的抗生素暴露后脂质代谢相关基因表达和PPARγ的转录活性变化热图(A)斑马鱼幼B3T3-L1前脂肪细胞

总之,在广泛的环境检测浓度下,接触四种常见的抗生素会导致斑马鱼幼鱼和3T3-L1前脂肪细胞的脂质代谢紊乱。这些影响表现为脂质含量、脂质代谢相关的基因表达和PPARγ转录活性的显著变化,有时是在纳克每升级的浓度。破坏的作用方式因抗生素的类型而异,看来SMT是通过抑制PPARγ的转录活性来破坏脂质代谢的。这些结果虽然是初步的,但除了众所周知抗生素会影响抗性基因外,还对抗生素的其他不利影响和毒理学机制提供了新的见解。需要进一步的研究来证实脂质代谢紊乱的影响并充分了解其作用方式。

作者简介


第一作者:雷雨洋硕士,毕业于中国计量大学生命科学学院、环境与健康科学研究院,研究方向为四种典型抗生素对机体脂代谢的干扰效应及其机制研究,参与国家联合基金重点支持项目“基于生物活性等效浓度评估杭州地区含氟有机物污染的健康风险”。联系邮箱:272370069@qq.com

通讯作者:李敏杰,博士,副教授,硕士生导师,中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业、中国计量大学环境与健康科学研究院教师。,2009年获得日本东北大学理学博士学位。先后在中国科学院生态环境研究中心(2011-2013)、北京大学(2013-2015)完成两站博士后研究工作。曾任齐齐哈尔大学讲师、副教授,中国科学院过程工程研究所副研究员等职。201811月调入中国计量大学任副教授至今。主要从事环境内分泌干扰物的生物传感识别,环境污染物的内分泌干扰效应与毒理学机制,药品和个人护理品污染物的识别与控制,水解析氢纳米催化材料的制备与应用等方面的基础研究工作。在JACSESTACS sensorsGreen ChemistryScience of the Total Environment等期刊发表论文30余篇。作为课题负责人主持了科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金委面上及青年基金项目,作为主要参与人承担浙江省重点研发计划项目、国家自然科学基金委面上及青年基金项目等,承担科研项目10余项联系邮箱:mjli@cjlu.edu.cn

通讯作者:郭良宏,博士,二级研究员,博士生导师,中国计量大学环境与健康科学研究院院长,中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业教师。国家基金委杰出青年基金获得者,国家科技部重大科学研究计划首席科学家,英国皇家化学会Fellow。曾任环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任,中国科学院生态环境研究中心研究员,《环境化学》主编,英国皇家化学会期刊Environmental Science: Processes and Impacts副主编,中国毒理学会分析毒理专业委员会常务委员,中国化学会环境化学专业委员会委员,中国环境科学学会环境医学与健康分会委员,中国仪器仪表学会分析仪器分会电化学分析专业委员会委员。研究方向为环境毒理学与环境健康,主要包括持久性有机污染物、大气颗粒物、环境纳米材料等典型和新兴环境污染物的毒性作用机制及其快速筛查方法。联系邮箱:LHGuo@cjlu.edu.cn

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722068553


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