双酚A通过IGF-1对神经-生殖系统发育的作用及机制的研究

Bisphenol A (BPA)is one kind of estrogenic chemicals existing widely in environment. A huge amount of animal expirement has verified that BPA is toxic to neuronal and reproductive system in the stage of fetal development, which involve in many signal transduction pathways of estrogen receptor, epigenetics,and others. There were very limited ways to study its toxicity on human embryonic development. Recentely, we have created a new model of human embryoid bodies, which has differentiated from human embryonic stem cells into three germ layers and mimic the early stage of human embryonic development, for screening the candidate genes as targets of BPA by studies on genomic anaysis, bioinformatic anaysis, and machinism of BPA interference. Insulin-like growth factor-1(IGF-1) was one of the down-regulated genes idnetified with similar toxic phenotype in fetal neuronal and reproductive system as BPA. There is little known about the relationship between BPA and IGF-1. A further research will be carried out on the verification of toxicity of BPA on human embryoid body test system, the down-regulation of IGF-1, the molecular machinisms of IGF-1 genes expression and function affected by BPA, and the phenotypes from BPA exposure and IGF-1 down-regulation, the possible pathway of PI3K/Akt/JNK signal transduction, basing on in vivo and in vitro BPA exposure models. This project will provide a practical, efficient, and accurate testing platform for embryotoxicity of environmental chemicals, such as BPA, that will be an evidence for a furth potential predict or preventional stretagy for environmental safety.

双酚A是一种广泛存在的拟雌激素环境化合物，大量动物实验研究提示对胚胎神经和生殖系统发育产生毒性作用，其机制涉及雌激素受体等多条信号通路。但是对人类胚胎源性毒理学研究缺少有效手段。本课题建立了一种新型的基于人胚胎干细胞拟胚体三胚层的模型，模拟人早期胚胎发育阶段双酚A暴露，通过全基因组表达谱的比对、生物信息学分析，筛查出一批差异基因，其中IGF-1是一个显著下调的因子，在动物研究中证实，IGF-1对神经和生殖系统发育有显著的影响，但关于BPA和IGF-1的关系尚鲜见报道。本研究拟在人胚胎干细胞拟胚体和神经干细胞模型上，进一步验证BPA对IGF-1的调控作用，PI3K/Akt/JNK的信号通路及分子机制。在体内染毒模型上，研究BPA对子代IGF-1的调控以及和表型的关系。将为环境化合物的胚胎毒理学研究提供一个新的平台，为深入研究双酚A对子代的毒理机制，以及预防和干预提供实验依据。

动物实验显示拟雌激素环境小分子双酚A（bisphenol A, BPA）通过雌激素受体对胚胎神经和生殖系统发育产生毒性作用，但对人类胚胎的毒性作用及机制尚不明确；动物实验显示类胰岛素生长因子1(Insulin-like growth factor 1, IGF1)缺乏可抑制神经系统的发育，影响脑垂体-性腺轴功能，IGF1是否为BPA的作用靶点？尚未有研究探讨及证实。限于人体研究的伦理局限性，基于人类胚胎干细胞（human embryonic stem cells, hESCs）的多能性-体外可分化为神经细胞、生殖细胞，本项目计划以hESC为人类体外研究模型探讨BPA对胚胎神经发育的毒理作用以及BPA、IGF1之间的调控作用，并进一步在小鼠中进行验证。. 本项目从建立、鉴定hESC株系出发，优化了hESC培养系统以及hESC来源类胚体(embryoid body, EB)培养系统。在此基础之上，利用hESC-EB模型建立了神经细胞分化模型：包括神经前体细胞（neural precursor cell,NPC）分化时期-神经球（spherical neural masses，SNM）分化时期-巴胺神经元（DA neuron）分化时期。当神经细胞分化模型暴露于BPA时，我们发现：BPA可通过下调IGF1的表达抑制NPC、DA神经元的分化并抑制DA神经元的功能，而在分化系统中同时添加IGF1则可拮抗BPA的毒性作用。基因组甲基化分析显示，BPA作用的直接靶点可能是IGF1的上游调控基因SOX5（增强子）、PBX1（抑制子）；BPA暴露直接提高了SOX5、降低了PBX1的甲基化水平，导致SOX5的表达降低、PBX1的表达上升，达到间接下调IGF1表达水平目的。另外，BPA暴露还改变了IGF1/IGF1R/PI3K/AKT通路中IGF1下游其它关键信号分子的甲基化水平，这些甲基化水平受到影响的基因，进一步抑制了神经细胞的增殖。以上研究结果的动物体内验证，目前尚在进行中。. 本项目首次用hESC作为模型体外证实了BPA对人类神经发育的毒性作用，并且首次证实了BPA、IGF1以及神经细胞发育之间的关系。我们的研究对于深入探讨BPA对神经-生殖系统发育的毒性作用具有重要意义，同时对于防治BPA暴露对胎儿神经发育的损伤具有重要的临床意义。