含硫有机砷代谢物的形态转化及分子毒性机制研究

Arsenic contamination arouses environmental and health concerns worldwide. The toxicity and related mechanisms of arsenic human metabolites are essential for understanding the adverse health effects associated with arsenic exposure. Recently, a series of new arsenic metabolites--thiolated arsenic species have been detected in several biological samples, and the in-vitro studies suggest that some of the arsenic metabolites are highly toxic. However, the related mechanisms have been rarely reported. Using three typical thiolated arsenic metabolites as exposure reagents, this project intends to study the species transformation and distribution of the selected thiolated arsenic metabolites in human bladder cancer cells and human lung adenocarcinoma epithelial cells by means of HPLC-ICP-MS, which will increase our knowledge in intracellular active arsenic species and the target organelles. Meanwhile, the arsenic-binding proteins and inductively-expressed proteins will be separated and identified with approaches such as CGE-ICP-MS and 2DE/ESI-MS. Further bioinformatics analysis of arsenic proteome and molecular verification would provide insight into the toxicity mechanisms of thiolated arsenic metabolites, including cellular uptake, binding sites, action pathway and signaling interference. Overall, this project will help us better understand the role of thiolated arsenic metabolites in health effects associated with arsenic exposure.

砷污染引起了全球范围的环境健康问题，砷生物代谢物的毒性及分子机制对理解砷暴露导致健康问题十分重要。近来，多种新型含硫有机砷代谢物在各种生物样品中普遍检出，体外暴露结果也表明某些形态的含硫有机砷代谢物具有较大的生物毒性，然而其分子毒性机制还知之甚少。本项目拟以三种典型含硫有机砷代谢物为研究对象，基于HPLC-ICP-MS法，研究胞内含硫有机砷赋存形态及空间分布，确定砷的胞内形态、分布和靶细胞器情况。利用CGE-ICP-MS及2DE/ESI-MS蛋白质全谱分析方法分离鉴定砷蛋白质组（包括砷结合蛋白及诱导表达蛋白），借助生物信息学分析蛋白组学数据，结合分子生物学实验验证，从含硫有机砷代谢物的细胞吸收、作用途径、作用靶点、信号通路等方面，在分子水平阐述含硫有机砷代谢物的分子毒性机制。本项目的研究结果，将为深入理解含硫有机砷代谢物对于砷暴露导致健康问题的贡献提供科学依据。

近来，多种新型含硫有机砷代谢物在各种生物样品中普遍检出，体外暴露结果也表明某些形态的含硫有机砷代谢物具有较大的生物毒性，然而其分子毒性机制还知之甚少。本项目以A549和T24为模式细胞，研究了含硫有机砷（DMMTAV、DMDTAV）及对照砷化合物的细胞摄入动力学及其胞内赋存形态的变化，对暴露细胞进行蛋白组质谱检测和生物信息学分析，提出可能致毒机制，利用分子生物学、细胞生物学技术对推测砷化合物的摄入机制进行验证和深入研究。结果发现：1）含硫有机砷的细胞摄入表现为逐渐升高至饱和的动态摄入特点，且选择性吸收DMMTAV和iAsII，DMMTAV与iAsIII相似，在被摄入后，主体部分迅速与胞内蛋白结合形成结合态，小部分则被氧分子氧化转变为稳定的DMAV或iAsV。DMDTAV则逐渐转变为稳定的DMAV，可能存在氧化产物DMMTAV，迅速与胞内蛋白形成结合形态；2）蛋白组分析提示，含硫有机砷尤其是DMMTAV导致细胞的能量代谢、DNA转录修复以及细胞膜运输等相关作用过程异常；3）DMMTAV和As2O3特异性结合、激活胞外G蛋白-偶联受体（GPCR），进一步激活下游信号通路，上调水通道蛋白AQP3、AQP7等砷化合物载体表达，增加砷摄入，同时，导致细胞周期紊乱，增殖分化异常，细胞恶化癌变。以上结果与摄入效率与毒性趋势一致的现象，共同说明DMMTAV形态在环境砷暴露致毒中起着重要作用。本项目的研究成果将为深入理解含硫有机砷代谢物对于砷暴露导致健康问题的贡献提供科学依据。