PM2.5诱导上皮细胞转录组和代谢组差异表达及致病机理的研究

PM2.5 have negative effects on human health, which is a hot issue. Present studies indicate that PM2.5 can cause respiratory diseases, cardiovascular diseases, skin diseases, and even cancers. However, the pathogenic mechanism underlying diseases induced by PM2.5 on molecular level is still not clear. This study select the epithelial cells stimulated by PM2.5 as research objects, conducts the transcriptome sequencing（RNA-seq）analysis of epithelial cells after exposure to PM2.5; Based on the RNA-seq analysis, a microfluidic system was used to verify the expression levels of proteins involved in the related signaling pathways. Signal transductions response to PM2.5 related to diseases was demonstrated; Metabolome difference and interfered metabolic pathways of cells induced by PM2.5 was analyzed, the relationship between the interfered metabolic pathways and the expressed genes and proteins was determined. A microfluidic system is developed, which is high through-put and capable of solving the problem that the amount of the PM2.5 is insufficient to meet the needs of multiple biological analysis. A vivo-like 3D cell culture module of the microfluidic system is also created. This microfluidic system can be widely applied in cytotoxicology. This study integrates analyses of RNA-seq, proteins involved in the related signal pathways and metabolomic for the first time and finally reveals the pathogenic mechanism underlying diseases induced by PM2.5 and provides the theoretical foundations for prevention and treatment of diseases.

近年来PM2.5对人体健康的影响一直是热点问题之一，已有研究证实PM2.5能导致人体呼吸系统疾病、心血管疾病、皮肤病及癌症等各种健康问题，但其致病分子调控机理尚未明晰。本项目拟以PM2.5刺激的上皮细胞为研究对象进行转录组差异表达分析；基于转录组分析结果，采用微流控芯片验证致病信号通路关键靶标蛋白的功能，构建PM2.5致病相关的基因转录调控信号通路；分析PM2.5刺激后上皮细胞代谢组水平的差异，进一步探讨受PM2.5干扰的细胞代谢途径，并揭示代谢途径与差异表达的基因及蛋白的调控关系。本研究设计了微流控芯片系统，其高通量、低样本量特点解决了PM2.5样本量难以满足多重生物样本分析的难题，且实现了模拟体内环境的3D细胞培养体系，有望广泛应用于细胞毒理检测中。本项目首次整合转录组测序、信号通路靶标蛋白及代谢组差异分析PM2.5的致病机理，可为人类健康和相关疾病的预防及治疗策略提供基础性资料。

大量的流行病学的研究表明，室外的空气污染能够导致人体产生肺癌。世界卫生组织下的国际癌症研究机构于2013年10月17日发布报告，污染的空气被确认为“一类致癌物”。在分子生物学水平上解释大气细颗粒物如何影响癌症的发生是十分有意义的, 但是，在这个领域，关于大气细颗粒物诱导的癌症相关信号通路的表达及致癌机制的研究相对较少。前期的研究证明，大气细颗粒物对人体健康产生负面效应的主要原因是由于颗粒物能够携带大量的有机化学物质及重金属等等进入人体。目前为止，了解这些具体的组分跟这些激活的癌症相关的信号通路上的关键蛋白的关系及组分来源跟激活的癌症相关的信号通路上的关键蛋白的关系是目前亟需解决的问题。. 本研究中，搜集中国上海的重度雾霾天的大气细颗粒物样本，采用转录组分析技术(RNA-seq)及微流控芯片技术，分析大气颗粒物样本刺激人肺上皮BEAS-2B细胞前后转录组水平上的变化及相关信号通路上关键蛋白的表达水平的变化。研究的结果显示，大气细颗粒物能通过胞吞作用进入细胞，激活一系列癌症相关的信号通路，包括PI3K-Akt 信号通路， FGF/FGFR/MAPK/VEGF 信号通路, 及 JAK-STAT信号通路，这些信号通路的启动，将导致细胞增殖，抗凋亡及持续血管生成等生物事件的发生，这些生物事件，都是肿瘤细胞的重要特征。大气细颗粒物同样能够诱导细胞质以及线粒体内活性氧族（ROS）水平的升高，细胞质内钙离子水平的升高，凋亡事件的发生，这些现象都跟癌症的发生密切相关。电镜分析大气细颗粒物刺激细胞前后的差异，结果显示，大气细颗粒物能够进入线粒体，导致线粒体膜的破坏及整个线粒体结构的破坏，同样也观察到颗粒物能够进入细胞核。本研究证明，大气细颗粒物的五种组分，包括有机化学物质（OC, PAHs）和重金属(Zn, As, V)，相比其他的组分，跟癌症的发生和发展有更加密切的关系。交通污染来源的二次气溶胶和其他所有的污染源相比，同样跟癌症的发生和发展有着更为密切的关系。