利用金属蛋白质组学研究砷结合蛋白及其在砷皮肤毒性中的作用

China is among the countries which have been severely contaminated by arsenic (As). Arsenic-associated skin lesions and cancers are readily increasing in arsenic-exposed individuals. However, the molecular mechanisms of arsenic-induced cancers are still unknown, and there are still no effective treatment options. Binding of arsenic with protein is considered as a key factor for understanding the molecular mechanisms of arsenic toxicity. Till now, As-binding proteins in skin and its role in As-induced toxicity are not clear. Traditional speciation analysis for arsenic in biological samples requires complex sample processing, and cannot obtain the in situ information. This project will use human spontaneously immortalized skin keratinocytes (HaCaT) as cell model and NaAsO2 as representative arsenic contaminant, aims to: 1) investigate the subcellular distribution and speciation of arsenic in situ, 2) screen out arsenic-binding proteins by synchrotron-based metalloproteomics, 3) and explore the role of arsenic-binding proteins in arsenic induced toxicity by gene knock-down and overexpression techniques. This project will provide important scientific basis for understanding the mechanism of arsenic-induced toxicity and early diagnosis and treatment for arseniasis.

我国是砷污染最严重的国家之一，地方性砷中毒引起的皮肤癌患者越来越多。由于砷毒性机制仍不清楚，目前对砷中毒尚无有效的预防和治疗措施。砷与蛋白质的相互作用是了解砷毒性机制的关键所在。目前，砷在皮肤中与哪些蛋白结合以及这些砷结合蛋白在砷毒性中的作用尚不明确。常规的砷化学形态分析方法需要复杂的样品处理，且无法原位分析。本项目将以人永生化角质形成细胞为研究对象，以亚砷酸钠为砷污染物的代表，利用基于同步辐射的金属蛋白质组学技术对砷在亚细胞水平的分布和化学种态进行分析，通过同步辐射微束X射线荧光与二维凝胶电泳准在线联用，找出砷结合蛋白，并利用基因沉默与过表达等技术探讨关键砷结合蛋白在砷毒性中的作用。该项目的成果将为进一步理解砷的皮肤毒性机制以及砷中毒的早期诊断和治疗提供新的重要的科学依据。

蛋白质组学技术是一种潜在的挖掘候选生物标志物的强有力的工具，可用于研究大量的生物分子。为鉴定出砷诱导的皮肤病变的新型生物标志物和分子靶点，我们利用鸟枪法蛋白质组研究了受砷影响的人的表皮层细胞的蛋白质表达谱。我们分析了来自健康受试者的手掌和足底样本，结果表明手掌和足底的蛋白质表达模式相似。我们同时也收集了患有砷角化病（受损和相邻的非病变样本）的手掌表皮细胞样本和暴露于砷但是没有发生病变的受试者的手掌样本（正常）。来自未暴露砷的健康个体的样本作为对照。我们发现砷暴露的病变表皮中有三种蛋白质的表达与未发生病变的样本具有显著性差别。其中一种蛋白质，钙粘蛋白样跨膜糖蛋白，桥粒芯糖蛋白1（DSG1）的表达受到抑制。DSG1的下调可能导致细胞与细胞之间的粘连减少，导致表皮分化异常。角蛋白6c（KRT6C）和脂肪酸结合蛋白5（FABP5）的表达显著性增加。FABP5是细胞内脂质伴侣，它在人体皮肤脂肪酸代谢中起着重要作用。表明FABP5的过表达可通过改变脂质代谢进而来影响角质细胞的增殖或分化。KRT6C是细胞骨架的组成部分，可维持表皮的完整性和凝聚力。KRT6C的异常表达可能影响其在表皮中的结构作用。我们的研究结果表明鸟枪法蛋白质组学是未来研究砷介导的毒性和皮肤癌的重要方法，其中某些蛋白质可能代表高风险人群早期诊断的有用生物标志物，并且有望成为新的治疗目标。需要进一步的研究来了解这些标记物在砷暴露的皮肤发病机制中的生物学作用。