毒理基因组学_在基因表达水平上的环境与健康研究

第32卷　第4期2003年　7月

卫　生　研　究

JOURNA L OF HYGIE NE RESE ARCH V ol.32　N o.4Jul.　2003　413

文章编号:100028020(2003)0420413203

・综述・

毒理基因组学

———在基因表达水平上的环境与健康研究

戴宇飞　郑玉新

中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京　100050

摘要:毒理基因组学是在生物高通量技术手段的应用基础上发展起来的一个新的研究领域,主要在基因

组水平上研究机体对环境因子的应答反应,了解基因2环境交互作用在疾病发生中的作用。本文对毒理基因组学的研究目标、研究内容及其在提高环境卫生水平和预防环境相关疾病中的作用进行综述。

关键词:毒理基因组学　环境因子　环境相关疾病

中图分类号:R99416 文献标识码:A

Toxicogenomics

———the research of environment and health at gene

expression level

Dai Yu fei ,Zheng Yuxin

National Institute for Occupational Health and P ois on C ontrol ,Chinese Center for

Disease C ontrol and Prevention ,Beijing 100050,China

Abstract :T oxicogenomics is a new scientific field that elucidates how the entire genome is inv olved in biological responses of organisms exposed to environmental stress ors and provides profound understanding of the roles of gene 2environment interactions in pathogenesis of disease using high throughput technologies.In this paper ,the research progress on the toxicogenomics and its application in both improving environmental health and preventing environmently related disease were reviewed.

K ey w ords :toxicogenomics ,environmental stress ors ,environmentally related disease

作者简介:戴宇飞,女,助理研究员,硕士

分子生物学技术的飞速发展及人类基因组计划的顺利实

施对医药卫生、环境卫生等领域产生了革命性的影响,也使人们有可能对疾病的发生与发展有更深刻的认识。人类基因组计划的始动因素是要解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题[1]。人类所有疾病或健康状态都与基因直接或间接相关,疾病的发生过程则是相关基因与环境因素相互作用的结果。1997年美国国立卫生科学研究所(NIEHS )提出了环境基因组学计划(EG P ),其目的是研究具不同遗传多态性的个体对环境致病因素的易感性差异,以此来探讨环境因素对人类疾病的影响和意义[2]。EG P 项目的实施有助于发现特定环境因子致病的易感人群,并制定相应的预防措施。但是易感基因本身不足以引起疾病,只有与其它基因联合并接触特殊环境因素后,才会改变疾病发生的危险度。因此一个人接触环境有害因素后是否致病,不仅决定于自身的环境反应基因,而且决定于环境致病因素是否会引起生物体基因表达的改变,以及不同的细胞、组织、器官对环境因素反应的复杂的调控过程。继环境基因组计划之后,美国NIEHS 于2001年启动

了毒理基因组学协作研究计划,旨在研究人体接触环境有害因素后的整个基因组反应,揭示环境因素致病的机制。

1　毒理基因组学概述

毒理基因组学是在基因组水平上研究机体如何对环境因子和毒物进行应答反应,它与mRNA 表达谱和蛋白质表达谱等生物信息相结合可以更好地认识疾病发生中环境-基因交互作用。研究内容包括以下几个方面:(1)研究基因组-RNA 和蛋白质表达与环境相关疾病的关系;(2)探讨环境因子产生的生物学反应途径以及细胞调控网络与基因和接触剂量的关系;(3)建立环境因子与生物学反应的相关数据库,收集环境接触与疾病相关的信息,将毒理学、病理学与基因表达谱、蛋白质组学及单核苷酸多态性分析结合起来;(4)发展生物标志物,提高预防疾病水平。这一计划将分3个阶段来完成:第一阶段是建立统一的技术标准、操作规范和质量控制体系,保证数据的精确性;第二阶段建立微阵列表达数据库,主要应用已知毒物对不同种系动物的毒作用的实验结果;第三阶段扩大数据库,增加化学物的种类,包括一些未知的化学物对生物体作用的基因表达数据,并补充不同时间和剂量参数下基因对

外源化学物反应而得到的基因表达谱。

2　毒理基因组学研究手段

人类基因组计划带动了生物高科技技术手段和技术平台的跨越式发展,一些高通量的实验技术如mRNA表达和蛋白质表达技术的应用促进了毒理基因组学的发展[3～5]。DNA及mRNA微阵列技术用于评价基因表达的变化,可对生物样本中上千个基因的转录水平同时进行定量测定,它还可以检测是否特殊的毒物具有特征基因表达谱,是否这种特征基因表达谱会随机体健康状况及不同接触阶段而有所改变,是否不同组织的不同细胞对某一种化学物具有不同的特征基因表达谱,是否不同动物种系会显示相同的、交叉的或完全不同的基因表达,对复杂的混合物的慢性低剂量接触所导致的健康危害效应是否可根据基因表达谱而得以阐明,是否基因多态性导致的易感性增加可以通过分析其基因表达谱的改变而检测出来。有可能时间和剂量依赖的mRNA微阵列数据可以做为机体对化学物作用不同阶段的反应指标。随着有害化学物暴露时间和剂量的增高,毒性或细胞损伤程度不断加重,mRNA 表达图谱将发生改变,因此微阵列的应用可探索毒性损伤过程中不同阶段的特征性基因表达信号,有助于对毒作用机制的深入理解。如果这些不同阶段mRNA微阵列数据与毒性作用的临床表现结合起来,就可以在临床或病理改变出现前寻找到损伤的证据,从而发展早期生物标志物,评价一种化学物潜在的不良效应。

mRNA微阵列分析是认识化学物作用的一个有力工具,加上蛋白质序列、结构及修饰分析则更清楚地反应了细胞或组织的生物学功能[6]。蛋白质组学中建立和发展起来的一些新方法如表面增强的激光解吸质谱(surface2enhanced laser des orption mass spectrometry)和抗体阵列可用来表现蛋白质谱[7～11],研究mRNA表达水平和蛋白质水平之间的差异及相互作用可以更深入探察基因的功能,并寻找化学物接触和预测毒性的蛋白质生物标志物。

3　毒理基因组学研究意义及应用前景

311　毒理基因组学将对危险度评价产生影响

毒理学主要研究目标在于改善人类危险性评价和药物、化学品的安全性评价。以往这些研究依赖于体外分析和动物模型,然而这些数据在外推到人来预测化学物对人类健康的效应时存在显著的不确定性。毒理基因组学研究则有希望改变人类危险性评价方法,因为它可以测量人类与其它种属动物在接触化学品后的基因表达的改变,通过精确的数据分析鉴别两者相同的基因反应模式,做为特定化学品特定给予途径的特征反应谱,在此基础上扩展更多的化学品、更多的给予途径的微阵列信息数据库,实现以快速的可预期的方式评价化学品的毒性,并使动物模型代替人体进行危险性评价成为可能。

312　改进接触评价

化学品作用于生物体后产生的特殊的mRNA表达信号及蛋白质谱信息将成为人类接触评价中的有力工具。一些化学物通过损伤细胞组成成分(如细胞毒性化学物)或损伤DNA 来诱发毒性反应,细胞则通过调整特有的修复基因的表达对损伤做出应答;另一些影响内分泌系统或细胞复制的化学物通过作用于细胞膜上或核内的信号转导体系导致基因表达的改变,从而直接影响毒性反应。所以基因表达图谱的改变能够反映毒性作用的类型和程度,可以用做接触的生物标志物。一些研究者以此为基础通过直接比较接触组和对照组的基因表达谱来进行化学物的毒性作用分类和分级,并确定健康危害的阈浓度[12]。这些研究结果可用于对污染区或可能接触的人及动物进行早期监测,对预防疾病的发生具有重要意义。

毒理基因组学研究的一个重要方向是确定在靶组织观察到的由急性化学接触而引起的一系列基因表达改变等有价值的信息可否在血液中观察到。如果这一问题得以解决,血液用做特殊化学品作用的替代靶组织,将在人群的接触评价中展现广阔的应用前景。

313　探索毒性作用机制和对未知化学物的毒性预测用传统的方法进行毒性机制的探索很难用较短的时间或体外分析来完成,因为需要在明确的毒理学作用终点基础上建立动物模型进行研究。例如,对非遗传性毒物的致癌作用评价通常需要2年的时间,建立大鼠的致癌模型并进行生物鉴定[13]。而利用毒理基因组学研究手段可以使这一过程简单化,通过微阵列分析可以确定参与癌症发展的基因并对其进行针对性研究。R odi等应用微阵列技术对大鼠肝细胞接触苯巴比妥后300多个基因进行分析,通过这些癌症相关基因表达谱的改变来探索苯巴比妥诱发细胞癌变的机制[14]。毒理基因组学与转基因技术相结合还可以研究某一特殊基因在化学物致毒性损伤中的作用,如Ry ffel等发现细胞因子及相关基因缺失的小鼠在正常状态下没有显著的表型改变,但当接触毒物后则表现出明显的临床综合症状[15]。在此基础上对转基因小鼠的毒理基因谱进行分析来深入了解这些特殊基因在化学物接触后导致的内毒素血症、肝毒性、髓性毒性中的作用,这些手段的联合应用使化学物的许多作用机制终点得以阐明。

现有研究已通过急性接触动物模型证实应用微阵列可以确定特殊化学物产生的特征基因表达谱[16],因此可以对未知化学物体外分析其mRNA表达谱,并将之与具有相同生物学作用终点的已知化学物的相关基因表达谱进行对比,则可以对这种未知化学物的毒性进行预测。这种技术的应用可以在一种新药、新农药还没有进行传统的体外、体内研究之前即可早期预测其潜在的不良作用。

314　鉴别影响个体对环境因素反应的易感因素

个体对环境相关疾病的易感性不同,这种易感性的遗传学基础是基因组的结构差异或Π和表达差异。其中在环境致病因子作用下的基因表达差异往往起着更重要的作用。因为即使基因型一致,基因表达还会受到甲基化、体细胞突变、X 染色体的随机失活等影响[17]。毒理基因组学研究可以通过探讨在某种特殊环境因子作用下非易感个体和易感个体的基因表达谱,全面了解在毒物代谢、DNA修复、细胞周期调控、信号转导等多条途径中相关基因的表达改变,从而避免了对大样本的易感基因的盲目筛查和对单个基因的孤立分析。这些研究可以帮助阐明个体对不同环境因素的易感机制,直接用来预测哪个个体可能受到环境的不利影响,为针对性预防提供可能。此外,毒理基因组学研究可以阐明不同个体对药物的敏感性或耐受性的差异,从而设计更安全有效的药物与治疗方案。

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