化学品已成为影响全球生态安全与人类健康最重要的风险源。近年来,数以万计的登记化学物质缺乏毒性信息,而农药、抗生素、阻燃剂等污染物在环境中浓度不断增加,所带来的环境及健康问题受到极大关注。此外,成千上万的化学品共同存在于环境介质,造成复杂的复合污染问题,仅依赖化学分析难以真实掌控其健康风险。然而,传统的毒性评估方法成本高、效率低,难以填补如此大量化学品毒性数据的空缺。因此,亟需开发高通量、低成本的预测毒理学技术,从分子生物学通路水平上识别出化学物质的干扰效应,以实现预测化学物质的短期和长期毒性效应。组学技术能够评估化学品在全基因组水平引起的生物学通路干扰,然而由于传统的组学测试成本高昂,通常不允许对批量的化学品和宽广浓度范围进行检测,这是组学技术在化学品毒性测试应用中的主要技术瓶颈。此外,传统的组学测试方法主要反映细胞内被动的基因表达,无法建立污染物与基因的直接关联。本论文从两种基因功能(基因删除和转录表达)角度出发,首先基于基因删除技术,建立了 CRISPR-Cas9功能基因组筛选方法,通过全基因组删除细胞系,筛选环境化学品的关键敏感基因,提出识别污染物致毒关键分子靶位的组学研究新思路。其次,基于靶向转录表达谱技术,建立了人类简化转录组测试技术,通过检测少数人类关键基因,作为全转录组测试的替代方法,实现经济、高效地评估批量化学品的剂量效应转录组表达谱。建立了基于人类简化转录组的标准化的生物学通路量化评估流程,并提出了基于剂量效应组学数据的化学品分类新方法;并将人类简化转录组测试技术应用于复合污染效应评估,验证了剂量效应组学图谱能够从生物学通路水平表征复合污染物总体或基于组分的生物活性,并能够应用于实际环境水样的生物活性检测。具体研究内容和结论如下:(1)建立了基于CRISPR-Cas9功能基因组筛选的环境化学品基因靶标筛选方法,利用全基因组删除的HepG2细胞,揭示了三氯生在高细胞毒性浓度(IC50)下的抗性基因主要与信号通路相关,通过单基因敲除验证了 FTO和MAP2K3等关键基因致毒的分子机制。识别了 TCS低毒性浓度(IC10和IC20)下的敏感基因主要与免疫响应通路相关,该信息能够补充TCS的低浓度转录组测试图谱。结合CRISPR-Cas9功能基因组筛选图谱与已有的“基因-化学品”或“基因-疾病”数据库,能够提供TCS的潜在人类疾病关联,如乳腺癌和肥胖症。CRISPR-Cas9功能基因组筛选提供了识别污染物致毒关键分子靶位点的组学研究新思路。(2)建立了基于1200个人类关键基因的标准化的人类简化转录组(RHT)测试方法,利用生物信息学手段验证了 RHT基因集能够覆盖90%以上的生物学通路,能够定性地反映全转录图谱的化学品分类特征,以及定量地代表全转录组数据推导所得的毒性浓度起始点。开发了适用于量化评估化学品生物学通路影响的生物信息学分析方法,基于剂量效应模型,推导化学品的通路水平浓度起始点POD。RHT测试在连续三代HepG2细胞实验中,能够很好地重复出三氯生的转录组水平POD均在一个数量级内,且低浓度敏感通路均与免疫响应通路相关。RHT相比ToxCast等体外生物测试,可在更低浓度水平更灵敏地推导出三氯生的 POD。(3)建立了基于通路和剂量效应RHT数据的化学品分类方法。以17种遗传毒性和非遗传毒性化学品为例,通过在HepG2中剂量效应RHT测试数据,比较了三种经典生物通路分析方法对化学品分类的优劣:PODA能够提供量化区分化学品生物潜力的POD值,GSEA能够提供与PODA互补的化学品内各个通路的干扰程度,而ORA依赖统计显著检验,无法提供有效的通路富集信息。因此,结合PODA提供的POD值,以及GSEA提供的9大类生物学过程的NES值,作为10个综合指标,用ToxPi软件进行基于权重的化学品分类,成功区分了 17种化学品中的遗传毒性化学品和非遗传毒性化学品。(4)应用剂量效应RHT测试,由混合物组分预测混合物整体的生物学通路活性,证明了 RHT测试用于表征复合污染生物响应的有效性。基于MCF7细胞的剂量效应RHT数据能够真实捕捉12个混合物单组分的生物学通路扰动图谱,其分类结果与各单组分化学品的已知MOA一致。利用CA和IA模型,基于单组分能够预测混合物的整体生物活性,二者相差在2倍以内。此外,对于9类特定的生物学过程,基于单组分依然能够预测混合物的整体生物活性,二者相差在1个数量级以内。比较了 RHT测试与已有体外测试结果,二者对于AhR,Nrf2,AR和ER等核受体的测试结果有很好的正相关性。(5)应用剂量效应的RHT测试,提供了高度动态浓度范围的环境水样生物响应及生物潜力评价方法。针对10种包括废水、饮用水等环境水样,使用HepG2和MCF7两种细胞评价了各个水样的剂量效应RHT图谱,根据响应基因数量和生物学通路活性分布,能够帮助区分污染水样和干净水样。此外,剂量效应RHT测试能够识别与之前103种体外生物测试相似的生物活性图谱,对于提高环境样品的生物测试效率和通量具有重要意义。剂量效应RHT图谱能够用于帮助推测水样诱导的早期低浓度生物响应,进一步的通路分析能够帮助区分污染和干净水样,协助传统化学分析方法进行水质诊断。