基于mtDNA甲基化的大气颗粒物致心脏毒性机制及早期效应标志物探索

Cardiomyocytes are rich in mitochondria. Mitochondrial DNA (mtDNA) methylation plays important roles in the stability of mtDNA and mitochondrial function. However, the mechanism of mtDNA methylation is yet to be elucidated. The applicant discovered PM-induced morphological and functional effects in mouse heart, which is likely to be associated with altered PPARa expression level and myocardium fatty acid metabolism. This project planned to establish a real-life exposure model with IVC system and implantation of PPAR alpha knock out/agonist-exposed mouse, with which the morphology, function and molecular biology of the hearts following PM exposure will be investigated. This project will reveal the roles of mtDNA methylation, PPARa/PGC1a and malfunction of fatty acid metabolism in PM-induced morphological and functional changes of mouse heart. Additionally, mtDNA methylation and PM exposure levels in the blood samples of population chronically exposed to high level of PM will be investigated. Echocardiography will also be performed in this population to assess the morphology and function of heart, revealing the impact of PM exposure and mtDNA methylation on cardiac functional parameters. This project will provide evidence for the etiology of PM-induced cardiac diseases and help to identify early biomarkers for this particular endpoint.

心肌富含线粒体，线粒体DNA（mtDNA）甲基化在mtDNA稳定和线粒体功能中发挥重要作用。目前，大气颗粒物（PM）致mtDNA甲基化的表观遗传效应机制尚不清楚。申请人前期发现，PM暴露对小鼠心脏功能及形态的影响，很可能与其改变PPARα表达水平从而影响心肌脂肪酸代谢有关，可能为PM重要毒性分子机制之一。基于mtDNA甲基化修饰可能对脂肪酸氧化代谢通路具有调控作用，本课题拟采用IVC系统建立外界PM真实暴露小鼠模型，以PPARa敲除/激动剂为工具、心脏形态功能测定及分子生物学为方法，揭示PM暴露致小鼠心脏形态功能改变中，mtDNA甲基化、PPARa/PGC1a及脂肪酸代谢障碍所扮演角色。在大气PM暴露人群，检测血液mtDNA甲基化和个体PM暴露水平，心脏彩超对心脏形态功能做出客观判断，探讨PM暴露及mtDNA甲基化对心功能参数的影响，这对解析PM致心脏疾病机理及早期效应标志物提供理论依据。

心肌富含线粒体，其功能异常导致脂肪酸β氧化障碍。然而，PM暴露致线粒体损伤的表观遗传机制尚不清楚。本研究在细胞及动物水平，从表观遗传学的角度深入探讨了PM对心脏毒性作用的分子机制。在动物水平，通过基因敲除小鼠模型，PPARα激动/抑制，AAV-FGFR1过表达等多个小鼠模型，利用先进的动物真实环境颗粒物暴露系统在石家庄对小鼠进行PM暴露，应用mRNA转录组测序，简化甲基化测序（ＲＲＢＳ）、脂质组学，生物信息以及分子生物学等手段，获得了PM的组分及理化特性，以及PM暴露致小鼠心功能损伤，心脏组织DNA甲基化模式的改变，线粒体结构损伤，膜电位下降及脂质代谢紊乱的毒性效应，主要的靶点和关键调控通路；解析了PPAR激动剂对PM诱导的线粒体损伤具有保护作用，改善右心室游离壁肥厚和心功能紊乱；PPAR抑制剂促进线粒体结构损伤及右心室游离壁肥厚和心功能损伤，其可能机制是PM暴露干扰PPARα与PGC-1α结合，下调PPARα下游基因UCP3和EHHADH胞浆表达，上调其线粒体中的表达水平，导致心脏和线粒体结构和功能损伤。在细胞水平，通过构建原代心肌细胞甲基化抑制模型，靶基因的细胞转染等实验，PM诱导小鼠原代心肌细胞及心肌细胞肥大，线粒体损伤以及心肌细胞脂质的沉积，揭示了PM通过影响线粒体生物发生来影响线粒体的脂质代谢功能，通过DNA甲基化影响心脏FGFR1表达及其下游AMPK通路，导致心脏线粒体受损和代谢障碍。从人群流行病学的角度，分析了PM暴露对心血管疾病急性死亡风险的影响。本课题的完成将有助于阐明PPARα在PM暴露致小鼠心脏线粒体损伤调控作用，明确了FGFR1基因甲基化在PM暴露诱导心肌线粒体及脂代谢紊乱中的关键作用，为PM相关的心脏疾病防治提供新的理论依据。