低剂量纳米银诱导肿瘤细胞DNA甲基化改变及分子机制研究

Due to its unique physicochemical properties, silver nanoparticles are widely used in production and daily life, which have become one of the most environmental health risky nanomaterials. Although the toxicity and mechanisms of silver nanoparticles have made some progress, the potential biological effects of silver nanoparticles at low dose are still limited. Our previous results showed that low dose silver nanoparticles could alter the level of genomic DNA methylation. However, it is still lack of systematic research that the effects and molecular mechanisms underlying low dose silver nanoparticles influence DNA methylation in tumor cells. Therefore, according to the main exposure and distribution of silver nanoparticles, our project will choose different size, shape and surface modification of silver nanoparticles to investigate the effects and molecular mechanisms of silver nanoparticles on DNA methylation in different cancer cells under low dose exposure. Furthermore, this project will reveal the potential molecular basis that the alteration of DNA methylation induced by silver nanoparticles involved in the occurrence and development of cancer. This project will provide theoretical basis and scientific guidance for the biological safety and health risky of silver nanoparticles.

由于其独特的理化性质，纳米银在生产、生活等领域应用极为广泛，已成为当前环境健康风险最高的纳米材料之一。尽管有关纳米银的毒性及机制研究取得了一定的进展，但关于纳米银在低剂量暴露下的潜在生物效应的研究仍比较有限。项目组的前期研究表明，低剂量纳米银能够改变细胞的DNA甲基化水平。但是，对于低剂量纳米银影响肿瘤细胞DNA甲基化的效应及分子机制，仍缺乏系统的研究。因此，根据纳米银的主要暴露途径和体内分布情况，本项目拟选择不同来源的肿瘤细胞，通过体外暴露实验并结合多种DNA甲基化检测和测序分析手段，在细胞-分子层面上，探讨不同粒径、形貌和表面修饰的纳米银在低剂量暴露下改变肿瘤细胞DNA甲基化的效应及机制，并深入揭示纳米银诱导的DNA甲基化改变潜在参与肿瘤发生发展的分子基础。该项目的研究将为有效评价纳米银的生物安全性和健康风险提供科学依据。

项目组前期研究表明，低剂量纳米银能够改变细胞的DNA甲基化水平。但是，对于低剂量纳米银影响肿瘤细胞DNA甲基化的效应及分子机制，仍缺乏系统的研究。经过本项目的研究，我们首先对不同粒径和修饰的纳米银进行表征，发现不同纳米银均呈球形，且分布较均匀。通过MTT等方法我们在HepG2、A498、A431和A549等多种肿瘤细胞中筛选出不同纳米银10μg/mL的低浓度暴露剂量。我们通过点杂交和超高效液相色谱串联质谱技术检测发现不同粒径和修饰的纳米银均可引起5-mC水平增加，而5-hmC水平减少，粒径较大和PVP修饰的纳米银效应较为明显。我们进一步探讨了纳米银改变DNA甲基化水平的可能机制，结果显示，低剂量纳米银能够增加DNMT1的表达、降低TET1的水平，特别是PVP修饰的纳米银颗粒作用更加明显。另外，低剂量纳米银在不同肿瘤细胞中能够增加LDH、MDA和NO的水平、引起细胞早期和晚期凋亡，特别是粒径较小的纳米银颗粒作用更加明显，PVP和LA修饰的纳米银的效应较PEG和PEI修饰的纳米银更显著。 随着暴露浓度的增加，低剂量纳米银在不同肿瘤细胞中导致细胞骨架略有皱缩，但不同粒径和修饰纳米银在相同浓度暴露下效应无明显差别，另外，我们并未发现纳米银对细胞和线粒体ROS及DNA损伤的影响。在纳米银改变肿瘤细胞DNA甲基化水平的分子机制研究中，我们对不同粒径和修饰纳米银暴露HepG2细胞进行全基因组DNA甲基化测序和转录组测序，测序结果显示不同粒径和修饰纳米银暴露后细胞的甲基化水平均有不同程度的升高，其中粒径越大甲基化水平升高越明显，PEI修饰的纳米银甲基化效应较其他修饰更明显，不同粒径相同修饰纳米银暴露后各组共同的差异表达基因共1830个，相同粒径不同修饰的纳米银暴露后各组共同差异表达基因共1381个。差异甲基化和差异表达基因在细胞生物学功能中占较大比重，包括信号传递、离子通道、膜受体信号等。