多平台代谢组学技术研究苯并芘暴露下肺的代谢紊乱作用机制

Lung cancer has become the most frequently diagnosed caner with the highest mortality in China, and is highly associated with polycyclic aromatic hydrocarbons, which are represented by benzo[a]pyrene (BaP). However, the mechanisms of metabolic disorders in lungs exposed to BaP are unclear, and metabolomic investigation of the mechanisms has not been carried out as far as we know. In the project, lung cancer cells sensitive to BaP exposure would be first selected from the models. And then multiplatform metabolomic data are to be utilized to project the metabolic landscapes of lung cells responding to BaP exposure, and uncover the key metabolic pathways and regulatory signals. Whereafter, we would propose the mechanisms of metabolic disorders in lungs, which are subsequently to be verified and clarified using molecular biotechnologies on genes and proteins. Investigations in the project would lay the basis for molecular toxicological effects, early diagnosis, biomarker discovery, health risk assessments, personalized preventions and controls of contaminants.

在中国，肺癌已成为发病率和死亡率最高的癌症，其与以苯并芘（benzo[a]pyrene，BaP）为代表的多环芳烃密切相关。然而，目前对BaP暴露下肺的代谢紊乱作用机制尚不明确，并未发现代谢组学方面的研究。因而，本项目拟先由肺癌细胞BaP暴露模型，筛选出BaP敏感的细胞类型后，用多平台代谢组学数据描绘BaP暴露下肺细胞的代谢应答全景图，并查找相关的关键代谢通路及其调控信号，提出BaP暴露下肺的代谢紊乱作用机制。随后，从基因和蛋白的分子生物学技术上，验证并阐明BaP暴露对肺的代谢紊乱作用机制。通过本项目的研究可为污染物的分子毒理作用研究、早期诊断、潜在生物标志物查找、健康风险评价、个性化预防和控制等提供参考。

在中国，肺癌已成为发病率和死亡率最高的癌症，其与以BaP为代表的多环芳烃密切相关。然而，目前对BaP暴露下肺的代谢紊乱作用机制尚不明确，并且，每个人对BaP暴露响应是有差异的。我们发现，在BaP暴露下，SK-MES-1、H460和BEAS-2B细胞侵袭和迁移能力变化比A549细胞更大。基于LC-MS的代谢组学研究发现BaP暴露下四种肺细胞侵袭和迁移相关的代谢紊乱特征。A549细胞中各种溶血磷脂（如：LPC、LPE、LPG、LPI）和So发生系统性下调。H460细胞中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢通路被抑制；缬氨酸、丙氨酸和色氨酸降解被抑制，进而产生蓄积；谷胱甘肽合成与降解被激活；二肽、FFA和核苷代谢相关代物产生蓄积；肉碱、各种磷脂（包括：LPC，LPE，LPG，LPI、LPS、PC、PG）和鞘脂（包括：So、SM）系统性下调。SK-MES-1细胞中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢和氧化磷酸化产生紊乱；精氨酸和脯氨酸代谢通路、缬氨酸生酮作用、蛋氨酸、二肽和PI合成受到抑制；肉碱和鞘脂产生蓄积。BEAS-2B细胞中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、核苷代谢、缬氨酸、色氨酸和蛋氨酸合成被抑制；亮氨酸和异亮氨酸降解被抑制，进而产生蓄积；出现FFA、磷脂（包括：LPC、LPE、PC）和SM蓄积。此外，3-甲基尿苷，Adenosine monophosphate，丙酮酸和SM(d34:2)可分别作为A549、H460、SK-MES-1和BEAS-2B细胞的潜在标志物，评价BaP暴露诱发的侵袭和迁移能力变化。随后发现BaP暴露激活了AhR与HSP90复合物，促进BaP进入细胞核及其活性代谢物形成，增强AhR与ARNT二聚体形成，从而促进EMT过程，诱发肺上皮细胞发生侵袭和迁移。最后，基于GC-MS的代谢组学方法验证了LC-MS平台发现的氨基酸代谢变化和FFA蓄积现象，并发现RSV可有效消除BaP诱发的代谢紊乱，表明AhR信号在BaP诱发的肺细胞代谢紊乱中的调控作用。