UV光诱导纳米二氧化钛致皮肤细胞损伤中蛋白质硝化的研究

Nano titanium dioxide is a class of widely used nano-materials with photochemical activity. The biological safety problems of these nano-materials have aroused widespread concerns recently. Protein nitration is selective modification of translation protein, closely related to the occurrence and development of disease. Previous studies have shown that UV light induced nano titanium dioxide to injury skin cells associated with protein nitration occurred. But the molecular mechanism of the effect has not been reported in the literature. Keratinocytes are the main function cells of skin epidermal. Keratin, glycoprotein and enzymes play important roles in the proliferation, differentiation and apoptosis regulation of keratinocytes. Human keratinocytes (HKCs) and their important functional proteins were chosen as the research object in this project. The relationship between UV light inducing nano titanium dioxide to damage HKCs and protein tyrosine nitration will be investigated by the combined use of control protein nitration, protein purification, protein electrophoresis, protein mass spectrometry, computer simulation methods, and combined with biological detection and chemical detection methods. The molecular mechanism of HKCs functional proteins tyrosine nitration, and the physiological and pathological basis of protein tyrosine nitration induced HKCs damage are expected to be revealed. The results will build the new method in the research of skin cells damaged by the nano-materials with photochemical activity, and provide a new way for the study of biological safety of nano-materials.

纳米二氧化钛是广泛应用的重要纳米材料，其生物安全性引起人们高度关注。蛋白质硝化是蛋白质翻译后的选择性修饰，与疾病的发生发展密切相关。前期研究表明，UV光诱导纳米二氧化钛致皮肤细胞损伤中伴随有蛋白质硝化的发生，但其作用的分子机制尚不清楚。角质形成细胞(KCs)是皮肤表皮的主要功能细胞，角蛋白、糖蛋白和酶等在调节KCs的增殖、分化和凋亡中发挥重要作用。本项目以人角质形成细胞(HKCs)为研究对象，针对HKCs功能蛋白质，联合运用控制蛋白质硝化、蛋白质分离纯化以及蛋白质电泳、蛋白质质谱、计算机模拟等方法，结合生化和化学检测手段，研究UV光诱导纳米二氧化钛致HKCs损伤与蛋白质硝化的关系，揭示HKCs中重要功能蛋白质硝化的作用规律和分子机制，阐明蛋白质酪氨酸硝化致HKCs损伤的生理病理基础。研究结果可望建立具有光化学活性纳米材料对皮肤细胞损伤研究的新方法，为纳米材料的生物安全性研究提供新的思路。

纳米二氧化钛（纳米TiO2）是目前应用最为广泛的纳米材料之一，应用于医药、日化品以及化工、环保、建材等领域。近年来，其生物安全性问题被日益关注。纳米TiO2具有较强的光化学活性，已有研究表明TiO2用于防晒产品中对皮肤细胞造成损伤效应。针对纳米TiO2生物安全性问题，本项目以皮肤细胞为研究对象，通过体外细胞培养和化学体系模拟，针对皮肤细胞中重要的功能蛋白和多糖，研究UV光诱纳米TiO2导致皮肤细胞损伤的分子作用机制，以期建立光化学活性纳米材料对人体细胞损伤研究的新方法，为纳米材料的生物安全性研究提供新的思路。在项目的前期工作中，我们通过人角质形成细胞培养和模拟，检测细胞凋亡、MDA水平和SOD活性等，评价了纳米TiO2在UV作用下对皮肤细胞的氧化损伤效应和对皮肤细胞生理功能的影响。随着项目研究工作的深入，我们认识到仅仅从蛋白质硝基化的角度尚不能全面反映UV光诱导下纳米TiO2的损伤效应和对皮肤细胞生理功能的影响。因此，在后续研究工作中，我们结合课题任务目标，联合运用蛋白质分离纯化和新型转录组学技术，系统研究了UV光诱导纳米TiO2对皮肤细胞蛋白和多糖表达的影响，以期阐明UV光诱导纳米TiO2对皮肤细胞生理功能的损伤效应及分子作用机制。研究表明，纳米TiO2在UV的诱导下产生ROS，通过打开线粒体通透转运孔（PTP），引起细胞的线粒体膜电位的降低，导致线粒体功能紊乱，使细胞发生凋亡，并导致细胞中角蛋白表达的降低，相关过程受到线粒体呼吸链的调控。同时，ROS也导致细胞中α-2,6唾液酸的变化，主要是通过调控ST6GaL-1的表达。我们采用转录组学技术对其分子作用机制进行研究，通过对细胞mRNA表达检测，得到转录组学数据。研究发现UV诱导纳米TiO2对细胞中基因表达影响显著，细胞中多种成分发生变化，影响细胞的信号转导、粘附等。其中，ErBb信号通路中与细胞周期密切相关的多种基因表达量发生变化。通过2D细胞和3D细胞模型，证实了UV诱导下纳米TiO2导致AREG、ABL2R、JUN和MYC等基因变化，影响了细胞周期。目前，相关研究工作正在继续进行中，有望得到有价值的创新研究结果。