基于金属组学的砷诱导细胞DNA损伤机理初探

The study on biological effects of arsenic has always been a hot topic. It has been found that the inhibition of nucleotide excision repair(NER) by trivalent arsenicals is a possible reason that causes the permanent DNA damage, but the mechanism remains elusive. The aim of this project is to establish an effective analytical platform based on the combination of novel miniaturized sample preparation techniques with high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry/ electrospray tandem mass spectrometry (HPLC-ICP-MS/ESI-MS-MS) parallel hyphenated techniques; to investigate the variation of arsenic species and phosphoproteins in cells treated by trivalent arsenicals; to find the connection between arsenic metabolites and phosphoproteins; and to explore the possible mechanism on the inhibition of NER by trivalent arsenicals from the point view of metallomics. The fulfillment of the proposed project will provide effective and applicable analytical methodologies for metallomics study, provide metallomics information in cells with arsenic exposure, and provide important scientific data and information for the related disciplines such as clinic medicine. This project will extend the application of ICP-MS and its hyphenated techniques in metallomics and arsenic toxicity evaluation, and greatly promote the development of analytical chemistry, especially atomic spectrometry/mass spectrometry.

砷的生物效应研究一直是人们高度关注的热点。有关研究表明三价砷化合物是通过抑制核苷酸切除修复过程导致DNA产生永久损伤，但这种抑制效应的作用机制尚不明确。本项目拟开发新型微型化样品前处理技术，并与液相色谱-等离子体质谱/电喷雾质谱(HPLC-ICP-MS/ESI-MS-MS)联用技术结合，以建立适合于细胞样品中砷的形态分析以及蛋白质磷酸化分析的新方法。基于此，以细胞中砷形态和蛋白质磷酸化水平的变化为标志，寻找砷形态与蛋白质磷酸化变化之间的联系，从金属组学的角度探讨砷诱发的NER抑制作用机理。该项目的完成不仅为元素形态分析和蛋白质定量提供实验方法，为金属组学研究提供新的技术平台，还为砷的细胞毒性机理研究提供基础数据，这对分析化学学科（特别是原子光谱/质谱）的发展和学术水平的提高，促进分析化学与生物、医学等相关学科的交叉发展均具有重要的学术意义，并具有广阔的应用前景。

砷与环境污染物(如多环芳烃等)协同作用会加剧致癌性和致突变性，然而这种协同作用的毒性机制尚不明晰。本项目从金属组学的研究角度入手，构建了新型高效液相色谱(HPLC)-等离子体质谱(ICP-MS)联用技术，开发了新型微萃取样品前处理技术，建立了适合于细胞中砷形态分析的新方法；设计了新型元素标记探针，建立了基于元素标记ICP-MS定量分析新方法用于磷酸化蛋白和砷结合蛋白等标志物的分析；基于所建立的分析平台，以As(III)和二氢二醇环氧苯并芘(BPDE)协同作用于SCC-7细胞，探讨了砷的甲基化代谢与其基因毒性之间的关系。结果表明，As(III)作为共致癌物与BPDE共暴露，加剧了DNA永久损伤，其可能的机理是：BPDE引起的DNA加成损伤影响了AS3MT和MT1A的表达，从而抑制了As(III)的正常甲基化代谢，细胞内积累的As(III)引起了p53蛋白磷酸化水平上升，激活了p53蛋白的调控功能，同时可能与核酸剪切修复(NER)过程中的关键蛋白结合，从而抑制了NER修复进程，导致DNA永久损伤。所取得的成果不仅为金属组学研究提供了新的技术平台，还从砷的代谢入手，为砷的基因毒性机制研究提供了基础数据，这对于分析化学学科(特别是原子光谱/质谱)的发展和学术水平的提高，促进生物、医学等相关学科的发展均具有重要的学术意义，并具有广阔的应用前景。