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项目文章Environ Int（IF 11.8）|中科院水生所研究揭示微囊藻毒素长期暴露引起哺乳动物小鼠脑区特异性的脂质代谢变化

人阅读发布时间：2023-08-11 16:23

微囊藻毒素(MCs)是一类在淡水中广泛分布的的蓝藻毒素，具有很强的神经毒性，会对大脑结构和功能产生不利影响，并与神经退行性疾病有关。尽管脂质在大脑结构和功能中发挥着重要作用，但暴露于MCs的哺乳动物的脑脂质组谱仍未被充分探索，这阻碍了对MCs神经毒性作用及其潜在机制的清晰理解。

2023年7月，中国科学院水生生物研究所谢平教授等团队在Environment International（IF 11.8）上发表了题为“First insights into region-specific lipidome alterations of prefrontal cortex and hippocampus of mice exposed chronically to microcystins”的文章。该文主要结合脂质组和基因表达谱研究了长期微囊藻毒素-LR(Microcystin-leucine arginine,MC-LR)暴露对小鼠前额叶皮层和海马的脂质组景观以及功能的影响，该研究揭示了脂质功能障碍在MCs的神经毒性中的作用机制。中科新生命参与了该研究中脂质组检测的相关工作。

研究材料

小鼠前额叶皮层和海马组织

技术路线

步骤1：长期暴露于低剂量MC-LR诱导小鼠空间记忆缺陷；

步骤2：组织病理学和超微结构变化；

步骤3：脂质组学研究；

步骤4：MC-LR对前额叶皮层和海马脂质代谢和细胞凋亡的差异调节。

研究结果

1. 长期暴露于低剂量MC-LR诱导小鼠空间记忆缺陷

在Morris水迷宫测试的空间获取阶段，与对照组相比，暴露于MC-LR的小鼠在第3-6天找到隐藏平台的时间更长，但差异不显著。各种记忆参数的OPLS-DA分析结合游泳路径表明，暴露组的小鼠在检索空间记忆方面表现明显较差，平均游泳速度和游泳距离均显著下降。此外，暴露组的小鼠进入目标象限的次数显著减少，表明MC-LR暴露诱导了小鼠空间记忆缺陷。

2. 组织病理学和超微结构变化

长期暴露于MC-LR在大脑中引起剂量依赖性的病理变化。在30μg/kg剂量组中，海马CA1区域的细胞间隙显著增大，前额叶皮层星形胶质增生显著增加。两个区域的超微结构改变，包括细胞核大小的轻微缩小，染色质边缘化和线粒体肿胀。在300μg/kg剂量组中，两个区域的细胞间隙均显著增大，前额叶皮层的细胞凋亡显著增加，但在海马体中没有增加。仅在前额叶皮层中发现神经元数量的显著减少以及星形胶质细胞和小胶质细胞的增加。总之，300μg/kg剂量组中观察到比30μg/kg剂量组更明显的超微结构损伤，细胞核减小，染色质边缘化，内质网池扩张，线粒体肿胀（图1）。

图1 组织病理学和超微结构变化

3. 脂质组学研究

对MC-LR 处理180天的小鼠的前额叶皮层和海马组织进行了非靶向脂质组学分析，以评估MC-LR对脑脂质组学和功能的影响，发现这两个区域都有丰富的各种甘油磷脂类脂质，包括磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇an（PE）、磷脂酰基丝氨酸（PS）和心磷脂（CL）。总脂质组PCA分析发现300μg/kg剂量组和对照组在前额叶皮层区域可以区分开，其他剂量和样本类型与对应的对照组之间没有明显差异。进一步的脂质亚类分析确认了MC-LR暴露后小鼠海马和前额叶皮层之间存在一些差异，如在暴露于30μg/kg剂量组的小鼠中，海马组织中溶血磷脂酰甘油（LPG）类的含量显著降低，而前额叶皮层中任何脂质类别的含量均没有显著变化。在300μg/kg剂量组中，与对照组相比，海马中PE和辅酶（CO）的含量显著升高，而前额叶皮层中CO、磷脂酰甘油（PG）和CL的含量显著降低。接着对单个脂质分子进行深入分析，并使用气泡图进行可视化，在300μg/kg剂量组中，海马和前额叶皮层中分别有145种和198种脂质分子存在显著差异，且大部分脂质分子在海马上含量显著增加，而在皮层中则显著下降（图2）。

图2 长期暴露于MC-LR对小鼠前额皮质和海马脂质谱的影响

比较了两个大脑区域中显著改变的共同脂质分子含量的变化趋势（与对照组相比，VIP > 1和P < 0.05）。在30μg/kg剂量组的小鼠中，只有两种常见且变化显著的脂质分子PC(16:0/18:1)和PC(16:0/20:4)，且含量在两个区域均匀增加。而在300μg/kg 剂量组的小鼠中，大多数共同脂质分子在两个区域之间的含量变化趋势相反（图3）。

图3 高剂量处理组小鼠前额皮质和海马中共同和差异脂质含量的变化

4. MC-LR对前额叶皮层和海马脂质代谢和细胞凋亡的差异调节

为了更好地了解MC-LR如何调节前额叶皮层和海马组织的脂质谱并诱导不同细胞的凋亡结果，作者评估了52个参与甘油磷脂、甘油酯和鞘脂代谢的靶基因和47个参与细胞凋亡的基因的转录水平。

数据显示，暴露于30或300μg/kg 剂量组的小鼠前额叶皮质中，一些关键的磷脂合成酶和调节鞘脂代谢和髓鞘形成的芳基硫酸酯酶A (Arsa)显著下调。除Pla2g4d外，在Lands’循环中催化磷脂降解的磷脂酶A1 (PLA1)和A2 (PLA2)超家族的转录均无显著变化。与前额叶皮层不同，暴露于30μg/kg剂量组不会显著影响参与磷脂合成或鞘脂代谢的基因，但显著下调海马中的几个PLA2成员（Pla2g7，Pnpla8，Pla2g10和Pla2g12a）。30和300μg/kg MC-LR暴露180天后，在海马中大多数凋亡调控基因都显著下调；在皮层中大多数促凋亡和抗凋亡基因表达也显著下调，但是Bcl2家族关键的促凋亡基因Bak1表达显著上调，这似乎使细胞凋亡调控失衡，导致了细胞凋亡的增加，正如TUNEL结果所示（图4）。