重金属暴露与Nrf2信号通路关键基因的交互作用在2型糖尿病发生中的作用及机制

Heavy metals are involved in the pathogenesis of type 2 diabetes by inducing oxidative stress, activating the Nrf2 singling pathway. The genetic polymorphisms in Nrf2 signaling pathway can affect the efficiency of antioxidant stress and production of endogenous antioxidant. We previously reported that some heavy metals were related to type 2 diabetes, and the serum bilirubin levels (downstream products regulated by Nrf2) were positive associated to type 2 diabetes. In view of the above, we posit that: heavy metals exposure interacts with the gene polymorphisms in Nrf2 signaling pathway in the incident of type 2 diabetes. Therefore, a grouped case-control study and a nested case-control study based on the Dongfeng-Tongji Cohort will be conducted. Heavy metals and the single nucleotide polymorphisms of the key genes in the Nrf2 signaling pathway will be determined. We will analyze the associations between heavy metals exposure, genetic polymorphisms, metal-gene interaction and the risk of type 2 diabetes. We will further explore the potential biological mechanism of the genetic variants in the development of type 2 diabetes by cytological experiments. Base on the results of vitro and in vivo experiments, a type 2 diabetes prediction model will be formulated. The present study will help to elucidate the specific biological mechanisms of heavy metals, gene, and metal-gene interaction in the pathogenesis of type 2 diabetes. We believe that our research would provide scientific evidence for the screening and precise prevention of diabetes and the heavy metals pollution control.

重金属诱导的氧化应激反应中，Nrf2抗氧化信号通路被激活，参与了2型糖尿病进程，该通路基因多态性可以影响抗氧化应激效率及内源性抗氧化物生成。前期研究发现人群中多种重金属与糖尿病有关；Nrf2下游产物胆红素与2型糖尿病发生正相关。据此推测：重金属暴露与Nrf2信号通路关键基因多态性可能产生交互作用，影响2型糖尿病发生。本项目将开展成组匹配的病例对照研究和基于东风-同济队列的前瞻性巢式病例对照研究，对体内重金属和Nrf2信号通路上关键基因多态性位点进行检测。探讨重金属、基因、重金属-基因交互作用对2型糖尿病发生的影响。同时选择关联阳性的重金属和基因多态性位点在细胞实验中进行功能研究。综合体内-体外研究结果，建立2型糖尿病风险预测模型。本研究将有助于阐明2型糖尿病发生中重金属、基因以及重金属-基因交互作用的具体生物学机制，为2型糖尿病精准防治、高危因素早期鉴别及重金属污染防控提供科学依据。

重金属污染是严重威胁人类健康的公共卫生问题。氧化应激是重金属暴露诱发的重要机体反应，与2型糖尿病（Type 2 diabetes, T2D）等代谢性疾病风险密切相关。Nrf2信号通路是机体重要的抗氧化通路，重金属暴露与Nrf2通路的交互作用，可能参与了2型糖尿病的进程。本项目通过建立十堰地区的生物样本库，测定了人群重金属暴露水平，分析了重金属暴露与代谢指标、机体氧化应激标志物的关联，进行了细胞生物学实验探索重金属暴露下Nrf2通路的变化。我们发现：在T2D人群中，血浆锶水平增高，心血管疾病风险增高，而血浆锌和硒联合降低T2D发生心血管疾病的风险；在儿童人群中，尿金属水平与家庭经济水平密切相关，而卫生习惯起到中介作用；尿砷和尿铀水平与儿童肥胖呈负相关；尿铝、铜、锌、铷、铅水平与儿童肺活量呈负相关，且关联存在性别差异；尿铁和铝水平升高会增加儿童身高发育迟缓的风险；金属暴露环境风险评分高的儿童心率更快；采用环境混合物共同暴露的分析方法（Weighted quantile sum regression, Quantile g-computation and Bayesian kernel machine regression），发现尿铝对重金属暴露联合作用与血红蛋白的贡献最大，接触铬、铁和钡与学龄前儿童的血压和高血压呈负相关；重金属联合暴露与儿童尿液氧化应激标志物8-羟基脱氧鸟苷、8-异前列腺素和4-羟基-2-壬烯醛-巯基尿酸水平正相关。在细胞学实验方面，我们发现醋酸铅、氯化镍等重金属均能激活Nrf2信号通路。其中，醋酸铅可引起INS-1与HepG2细胞发生氧化应激，同时启动Nrf2通路，并上调通路下游HO-1与γ-GCS蛋白的表达，来应对氧化毒性损伤。醋酸铅可导致胰岛素分泌障碍与胰岛素抵抗的发生，干扰Nrf2可在一定程度上加重胰岛素分泌障碍与胰岛素抵抗的严重程度。提示活化Nrf2通路可以防止或延缓T2DM的发生发展。我们进一步加入当地的抗氧化中药葛根素，发现活化Nrf2通路减轻细胞氧化应激损伤。本研究从人群和细胞研究两个层面分析了重金属暴露与糖尿病及危险因素的及关联。为重金属暴露的防控及2型糖尿病抗氧化治疗提供了新的证据。