一些传统污染物,尤其是环境内分泌干扰物如多氯联苯(PCBs)和DTT,由于其早期的大量使用以及毒性评价的缺失,已出现全球性大规模的污染,目前虽已被大范围的禁用,但是土壤、水体、动物甚至是人体中仍有较高水平的残留。尽管对于这类污染物的毒性以及机制的研究较为成熟,但是较少从机体铁代谢角度研究其致毒效应。另外,除了传统污染物之外,一些新型的人工纳米材料由于其独特、优良的纳米特性正被广泛应用。为了避免产生与传统污染物相似的环境研究问题,我们需要在纳米材料应用初期进行完善的毒性评估。因此,本课题以典型纳米材料纳米银、传统污染物PCBs、典型内分泌干扰物17β-雌二醇以及手性污染物锐劲特为目标化合物在多种体内外模型中展开相关致毒机制研究。PCBs作为一种具有209种同系物的持久性有机污染物,在进入人体后会引起一系列的毒性效应,包括神经毒性、肝脏毒性、致癌性以及内分泌干扰效应。然而,目前PCBs对机体铁代谢的潜在干扰效应仍缺乏研究。提及铁代谢,hepcidin-ferroportin(FPN)在维持机体铁水平稳定的过程中具有重要的决定性作用。Hepcidin是由肝细胞分泌并可通过与FPN结合内化降解FPN蛋白以达到对铁的调控作用,其异常表达会引起严重的铁代谢紊乱,同时还会导致贫血和β-地中海贫血等多种疾病的发生。以往的研究发现hepcidin启动子上含有一段雌激素受体反应元件(ERE)序列,与雌激素的作用后,hepcidin基因的表达被显著抑制。在本研究中,PCB153与PCB126可显著抑制HepG2细胞中hepcidin mRNA的表达,且PCB126的抑制效应高于PCB153。进一步的研究表明,PCB153和PCB126在该细胞模型中皆具有类雌激素效应(PCB126的雌激素活性强于PCB153)。通过分子机制的研究发现,PCBs可通过hepcidin启动子上的ERE抑制该基因转录(与17β-雌二醇效应一致)。在野生型(Wild Type,WT)小鼠实验中,PCB126显著下调小鼠肝细胞hepcidin表达,并伴随着血清铁的上升和肝脾铁水平的降低;而在hepcidin基因敲除小鼠暴露PCB126后无法出现铁代谢紊乱的现象。此外,肝脏切片染色显示PCB126的暴露以及hepcidin的缺失均可引起肝细胞空泡化和脂肪堆积。因此,该部分研究结果清晰地揭示了PCBs通过抑制hepcidin基因表达影响机体铁代谢平衡的雌激素干扰效应机制。与PCBs的内分泌干扰效应类似,17β-雌二醇(E2)作为一种效应最强的环境雌激素,会诱发多种健康效应,如生殖毒性以及性激素依赖器官的致癌效应。人群调查研究显示,在女性一生中,体内E2的含量与血清铁含量呈负相关关系,例如绝经后女性E2水平锐减,机体出现铁负荷频率大大增加。然而,E2对于铁代谢尤其是铁转运蛋白FPN的影响及相关机制还不是十分清楚。本课题研究发现在多种ERα阳性细胞(人来源)中,E2可显著抑制FPN mRNA的表达,而E2拮抗剂他莫昔芬(tamoxifen)可逆转此效应。另外,E2暴露小鼠骨髓来源巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages,BMDMs)后,胞内FPN的表达明显下调,同时,胞内铁水平(ferritin蛋白)显著上升;然而,FPN基因敲除BMDMs经E2处理后ferritin蛋白并无明显变化。在分子机制的探索中,经ERE预测网站发现FPN启动子上含有一段ERE序列,且通过报告基因实验证实该片段可以与E2作用抑制FPN转录。另外,卵巢切除(ovariectomized,OVX)小鼠和假手术(sham-operated,SHAM)小鼠实验充分验证了细胞实验的结果:由于E2的缺失,OVX小鼠中肝FPN mRNA的表达量远高于SHAM小鼠。因此,本研究阐述E2通过FPN启动子上ERE调控FPN基因表达和系统性铁代谢,为评价E2的毒性提供了新的研究思路和方法。除了上述传统污染物,一些新兴工业材料的潜在环境效应及健康风险也受到人们的广泛关注。在所有新材料中,纳米银(nanosliver,AgNPs)由于其广谱的抗菌特性被大量应用至生产和生活的各个方面。同时,科研人员在体内、外实验中均发现AgNPs的毒性效应,然而其相关致毒效应的机制研究仍很匮乏,且大多着眼于基因毒性层面,很少有研究关注AgNPs毒性的表观遗传机制。因此,本研究从表观遗传学角度揭示了AgNPs抑制β-球蛋白(β-globin)基因表达的机制:首先,MEL细胞实验表明,AgNPs在亚致死暴露剂量下可显著下调β-globin mRNA表达,且在不引起氧化应激反应的同时降低总体H3甲基化水平;ChIP-PCR结果显示,MEL细胞经AgNPs暴露后,β-globin基因座上H3K4(4号位赖氨酸残基)与H3K79(79号位赖氨酸残基)的甲基化水平明显降低;该情况可能是与特异性甲基转移酶DOT-1L和MLL的减少,以及AgNPs与H3/H4相互作用增加H3空间位阻(全原子分子动力学模拟得出)有关;此外,pull-down实验和Co-IP实验共同证实H3可被AgNPs吸附;因此,这些表观遗传变化连同RNA聚合酶II活性的降低和基因座结合率的减少共同导致了血红蛋白合成的抑制。该发现为更全面地分析AgNPs在亚致死剂量下介导的毒性效应开辟了表观遗传学机制研究的新途径。除了组蛋白的甲基化,DNA甲基化也是表观遗传学研究的一个重要方面。我们在前期锐劲特斑马鱼胚胎发育毒性研究中明确其S-构型是毒性效应主要的贡献者,但是这种典型硫手性中心农药对非靶标生物的发育毒性的对映体选择性差异机制还不清楚。因此,我们利用全基因组DNA甲基化分析表明S-型锐劲特与R型-锐劲特相比,可以更为显著地引起斑马鱼胚胎-幼鱼中基因组DNA甲基化变化,并且通过差异甲基化基因的基因本体论分析以及信号通路分析后得出S-型锐劲特暴露组中的高甲基化基因大多参与到与胚胎发育的信号通路中,这预示着这些基因有可能是锐劲特对映体选择性发育毒性的潜在靶点。改研究首次从DNA甲基化角度解释对映体选择性发育毒性的潜在机制,为手性污染物的致毒机理研究提供新的手段。