Cr(Ⅵ)干扰肝细胞线粒体电子传递链功能的作用机制研究

铬及其化合物是人类环境最常见的重金属污染物之一。铬有多种价态, 在环境中较为稳定的有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ),其中Cr(Ⅵ)易通过细胞膜。Cr(VI)进入细胞内被逐步还原为Cr(Ⅲ)，并引发活性氧族（ROS）产生，导致细胞毒性。Cr(Ⅵ)还原与ROS产生均需从线粒体电子传递链获得电子，二者的关系至今尚未阐明。本课题用Cr(Ⅵ)处理肝细胞及线粒体，分别使用线粒体呼吸链复合体Ⅰ抑制剂、复合体Ⅱ抑制剂、复合体Ⅰ抑制剂+复合体Ⅱ抑制剂3种阻断电子传递处理方式，检测Cr(Ⅵ)还原速率、线粒体电子传递链复合体Ⅰ-Ⅴ酶活性与相关电子受体（辅酶Q、细胞色素C）含量及其基因表达、线粒体氧化磷酸化及能量代谢障碍、ROS生成量及氧化损伤等，以探讨Cr(VI)干扰肝细胞线粒体电子传递链功能的毒作用机制，其学术价值在于阐明Cr(VI)还原过程引发ROS产生的原因，为Cr(Ⅵ)危害的生物预防措施提供科学依据。

六价铬[Cr(Ⅵ)]进入细胞后被逐步还原为三价铬[Cr(Ⅲ)]，并在还原过程中通水引发活性氧族（ROS）的产生，这是目前国内外对Cr(Ⅵ)毒作用分子机制的基本共识。Cr(Ⅵ)还原与ROS的产生均需获得电子，这些电子从何而来以及二者之间的关系至今尚未被阐明。本研究假设Cr(Ⅵ)还原与ROS产生所需电子可能主要来自于线粒体电子传递链的电子漏。试验中用Cr(Ⅵ)处理肝细胞及其线粒体，并使用线粒体呼吸链复合体（MRCC）I、Ⅱ抑制剂以及两者联用的三种方式阻断电子传递，检测Cr(Ⅵ)的还原速率、电子漏、MRCC I-V的酶活性与相关相关基因表达、能量代谢障碍以及细胞凋亡等指标。研究结果表明Cr(Ⅵ)通过抑制MRCC I、Ⅱ增加了电子漏而诱导ROS的产生增加。Cr(Ⅵ)明显抑制线粒体3态呼吸以及呼吸控制率（RCR），并导致了以电子漏和ROS产生为特征的线粒体电子呼吸链功能障碍、ATP合成减少和细胞凋亡。Cr(Ⅵ)在MRCC I处得到其漏出的电子而被还原。且深入研究发现Cr(Ⅵ)不仅可以导致细胞能量代谢障碍，还可通过影响线粒体电子传递链功能而导致caspase-3的激活以及诱导ROS-p53依赖性的细胞周期阻滞而引起细胞凋亡的发生。此外，Cr(Ⅵ)通过影响线粒体VDAC1以及ANT1等基因的表达水平导致ATP转运功能失常引发细胞能量代谢障碍。总之，本项目的研究结果证实Cr(Ⅵ)通过干扰肝细胞线粒体电子传递链的功能而诱导细胞凋亡的发生，且由于MRCC抑制而引发ROS的积聚是Cr(Ⅵ)诱导肝细胞毒性的主要原因。抗氧化剂如NAC、维生素C等可明显缓解Cr(Ⅵ)所致的能量代谢障碍和细胞凋亡的发生，对拮抗Cr(Ⅵ)引起的肝细胞毒性具有明显的保护作用，这些生物性干预措施为Cr(Ⅵ)暴露人群的职业病防治提供了实验依据。本研究成果的学术价值在于首次提出Cr(Ⅵ)引起肝细胞线粒体电子传递链功能紊乱是Cr(Ⅵ)导致能量代障碍及细胞凋亡的主要毒作用机制，并为阐明进一步研究Cr(Ⅵ)的毒作用机制以及制订Cr(Ⅵ)所致健康危害的生物预防措施提供了重要科学依据。