鲸豚类诱导多能干细胞及其体外毒理学评价模型的建立和应用

Stem cell technology and toxicogenomic assessment advance toxicology fields and provide a new tool for better understanding the adverse effects of pollutants. Cetaceans can serve as indicator species for aquatic ecosystem, the assessment models that based on iPSCs and toxicogenomic will generate more effective and comprehensive data for the environment management and animal conservation. Given the exponential discovery of novel persistent pollutants in Chinese waters as well as the limited toxicological data of their hazardousness and effective assessment models, in this project, cetacean fibroblasts (we have established fibroblast cell lines from the skin of pygmy killer whale and pantropical spotted dolphin) will be reprogramed into induced pluripotent stem cells (iPSCs), and then the potential embryotoxicity, development toxicity and reproductive toxicity effects and the underlying mechanisms of some marine pollutants will be evaluated based on the iPSCs toxicity tests and toxicogenomic assessment. The developed iPSCs assessment model is aimed to overcome the general limitations in traditional primary cells (finite number of generations and some types of cells difficult to obtain) and immortalized cells (accumulating mutations or altered cell functions) assessment, as well as animal tests (interspecies variations and ethical issues). The establishment of cetacean iPSCs, meanwhile, may provide a novel research platform for studies of molecular mechanisms of their unique aquatic adaptation and preserve the genetic germplasm, which has the developmental capability, of the endangered species.

干细胞和毒理基因组学技术在毒性评价中的应用为该领域带来了新的思路和优势。鲸豚类作为水环境健康的理想指示物种，其诱导多能干细胞（iPSCs）和毒理基因组评价体系的建立和应用将为物种保护和环境评价提供更为有效的数据。本研究针对我国水环境新型污染物不断涌现而毒理学数据和有效评价模型匮乏的现状，利用前期建立的鲸豚类的皮肤成纤维细胞，拟通过细胞重编程的方法获得其iPSCs，进一步结合干细胞毒理学和毒理基因组学技术对部分水环境污染物潜在的胚胎毒性和发育毒性及其作用机制进行探讨，建立基于鲸豚类iPSCs的体外评价模型。该模型的建立将突破传统动物实验（动物伦理、物种差异）及原代细胞（增殖受限、某些细胞类型难以获得）和永生化细胞（细胞存在突变、功能改变）评价体系的限制，成为理想的替代模型。同时鲸豚类iPSCs将保存它们具有发育潜能的遗传种质，也将为学者们探讨鲸豚类水环境的分子适应机制提供新的平台。

生物多样性丧失和环境污染是目前中国乃至全球所面临的非常严峻的两个问题。选取能预警环境和生态系统潜在变化的指示物种，基于其分子生物学、细胞生物学、生物学或生态学等技术手段建立合适的模型并开展深入的研究，可为环境管理和物种保护提供重要数据。依托于本项目，我们以鲸豚类及其环境威胁因子为研究对象，通过开展基因组、细胞系、生物学和环境生态学等不同层次的研究，初步建立了鲸豚类“来源-结局-通路（SOP）”和“危害-结局-通路（AOP）”的研究模型，为该物种及其生境的保护提供了新的数据和视角。首先，我们通过无菌取样、培养条件筛选和超低温冷冻保存等建立了矮虎鲸和范斑点原海豚的原代细胞，进而通过细胞转染，建立了永生化细胞系；在多因子筛选下，对鲸类诱导多能干细胞的建立进行了条件探索。在鲸类细胞株建立基础上，研究了鲸豚类细胞对海洋污染物的响应模式，为体外毒理学研究提供了重要数据。其次，我们开展了中华白海豚基因组的研究，构建了中华白海豚的基因组图谱，共装配出基因组总长为 2.3Gb；通过 BUSCO评估、基因区评估和一致性序列评估，表明基因组组装的完整性和准确性。基于基因组分析，获取了中华白海豚的正选择基因和扩增基因，揭示了中华白海豚独特的免疫机制。第三，基于中华白海豚搁浅死亡个体的解剖分析，建立了中华白海豚肠道非全长的微塑料检测方法；从环境、饵料鱼和中华白海豚个体层次评估了潜在的微塑料威胁风险，进一步对潜在的环境来源进行了分析。第四，建立了中华白海豚环境DNA检测的方法，为中华白海豚的空间分布评估提供了新方法；基于建立的环境DNA方法，对广西中华白海豚的空间分布进行了进一步分析。以上研究结果，为进一步从多学科角度对中华白海豚等鲸豚类进行生存和健康风险评估提供了基本的数据和技术支撑。已发表论文9篇，其中SCI论文7篇(IF >5有5篇)，ESI前1%高引论文1篇；授权专利1项。新冠疫情对研究有所影响，另几篇SCI会在结题后1-2年内发表（2篇SCI审稿中）。