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科学研究

博士研究生李潇等人发表ES&T文章:长期食物相硒代蛋氨酸暴露损伤斑马鱼大脑并影响神经递质及行为

2021-08-20 10:47:16 来源:葡京线路检测中心网址 点击:

葡京线路检测中心网址谢凌天教授(化学品污染与风险控制团队)在读博士研究生李潇和硕士研究生刘洪宋等在国际环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Dietary Seleno-L-Methionine Causes Alterations in Neurotransmitters, Ultrastructure of the Brain, and Behaviors in Zebrafish (Danio rerio)”的研究性论文。该论文发现:长期环境相关浓度食物相硒代蛋氨酸(Se-Met)暴露对斑马鱼脑组织造成损伤,改变斑马鱼脑神经递质的代谢,最终影响斑马鱼的行为。研究成果可加强硒对鱼类毒性作用机制的理解,有助于建立/补充与鱼类大脑影响相关的潜在不良结果途径(AOPs),预测Se-Met等污染物对鱼类种群的影响,为在全球硒污染的水生环境中鱼类灭绝这一现象提供了另一种可能的证据。

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图文摘要

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引言

硒是一种动物需要的微量必需元素,它的基础性和毒性阈值之间的差异范围非常小。硒元素被同时作为基础元素和毒性元素而受到广泛关注。20世纪70-90年代,美国、挪威等国的科研工作者发现在全球硒污染的水生生态系统中出现了鱼类和鸟类大量灭绝的现象。研究表明,过量的无机硒通过食物链/食物网的传递,最终导致了水生食物链中顶层捕食者(如:鱼类和鸟类)的灭绝。过量硒的毒性机理主要有两点:1. Se-Met是主要的有机硒形态,进入生物体后可替代蛋白质中蛋氨酸,导致蛋白质的折叠错误,改变蛋白质的结构和功能,进而干扰生物体的正常生理功能;2.硒进入机体内后的代谢活动会导致活性氧簇分子(ROS)的大量产生,最终引起蛋白质、DNA及脂肪等生物大分子结构的改变,造成鱼类氧化损伤。鱼类行为对于鱼类的生存和种群稳定性至关重要,而鱼类行为主要由中枢神经系统分泌的神经递质调控。鱼类行为在化学品生态风险评估中日益受到重视。本研究利用靶标代谢组学和行为学等方法探讨环境相关浓度的食物相Se-Met长期暴露对斑马鱼神经系统及行为的影响。


图文导读

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1 过量Se-Met累积导致斑马鱼大脑氧化损伤

实验结果表明:相比于对照组(C),中(M12.16 μg Se/g 干重)和高(H34.61 μg Se/g 干重)浓度处理组斑马鱼脑组织中总硒累积量升高,ROS水平增加,抗氧化酶活性以及相关硒蛋白基因表达量降低,证明Se-Met导致斑马鱼脑组织抗氧化能力降低。


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2 过量Se-Met导致脑组织线粒体损伤 

根据斑马鱼脑组织超微结构图发现, 相比于C组,Se-Met导致M和H组脑组织线粒体发生肿胀、嵴峭结构断裂,甚至膜破损,基质外溢。同时,线粒体呼吸链复合物I、II、IV和V的活性在各处理组均显著降低。此外,过量硒代蛋氨酸也导致脑组织内质网扩张。


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3-4 过量Se-Met导致脑组织神经递质信号通路及相关基因的改变 

通过靶标代谢组学的方法,我们对总共筛选出来的41种神经递质及其代谢产物进行了分析,结果表明,相比于C组,斑马鱼脑组织中参与调控多巴胺能(DA)、5-羟色胺能(5-HT)、乙酰胆碱能(ACh)、γ-氨基丁酸能(GABA)和组胺能(HA)这5条神经递质信号通路共计21种神经递质及其代谢产物受到显著影响。此外,通过qPCR定量分析发现,分别参与这五条通路合成、转运等生物学过程的相关基因的表达也受到了显著影响。


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5 过量Se-Met导致斑马鱼神经行为的改变 

相比于C组,投喂MH组含硒饲料60天后,斑马鱼的自由游泳能力和空间认知能力受到显著影响。


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6 基于Se-Met对斑马鱼神经行为影响的AOPs预测 

基于本研究结果,我们对斑马鱼大脑和神经递质相关的不良结果途径(AOPs)进行了总结:Se导致的ROS的过量产生可视为分子起始途径(Molecular Initial Event, MIE),随后的脂质过氧化、粗面内质网扩张、线粒体损伤以及神经递质和相关基因的改变等为关键事件(Key Events, KEs),鱼类个体行为的改变为不良结果。Se-Met导致斑马鱼神经行为改变这一AOPs的建立可为评估各类环境污染物对鱼类的生态风险提供科学依据。

 

参考文献:Li, X.; Liu, H.; Li, D.; Lei, H.; Wei, X.; Schlenk, D.; Mu, J.; Chen, H.; Yan, B.; Xie, L. Dietary Seleno-L-Methionine Causes Alterations in Neurotransmitters, Ultrastructure of the Brain, and Behaviors in Zebrafish (Danio rerio). Environ. Sci. Technol. 2021.

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