芳香烃受体AhR介导的食源和异源芳香族化合物生物学效应差异及其分子机制研究

Food and xeno- aryl hydrocarbons (AHs) play significant role to human health. Even though the AHs functionate via the same physiological pathway by induction of aryl hydrocarbon receptor (AhR), their biological functions differ significantly. The natural AHs from food source have anti-cancer function, whereas the xeno- AHs are carcinogenic. The molecular mechanism responsible for the physiological difference remains unknown. This application aims to use the transcriptome approach, i.e. RNA-Seq technique, to dig out the rules of gene regulation variation in hepatocytes under the induction by different AHs, and to find the key genes causing the variation of AHs function. The AhR knock-out mice and SiRNA interfering to AhR will be used to further validate the function of target genes. The KEGG database will be used to illustrate the biological pathway of target genes. Moreover, the metabolites and the metabolic pathway of selected AHs in hepatocytes model will be studied using LC-TOF technique. Implementation of this project will illustrate the mechanism causing the physiological difference of different AHs. Moreover, it also can give more information about the nutritionics of natural AHs and the toxicology of the xeno- AHs.

食源和异源（xenochemicals）芳香族化合物通过诱导芳香烃受体（AhR），对人类健康具有重要影响。虽然不同芳香族化合物作用路径相同，但其生物学效应却完全不同。食源芳香族化合物具有重要的抗癌作用，而异源芳香族化合物却致癌。其作用差异的分子机制目前还无法解释。项目拟通过芳香族化合物诱导的肝脏细胞转录组表达研究，利用RNA-Seq技术找出不同芳香族化合物诱导下肝脏细胞基因表达调控的差异规律，从而发现导致芳香族化合物生物学效应差异的关键基因。AhR基因敲除小鼠及SiRNA干涉实验验证目标基因及其功能。KEGG（全基因组及代谢途径数据库）等系统分析目标基因的生物学作用通路。最后利用飞行时间质谱鉴定芳香族化合物的代谢产物及代谢路径，探寻芳香族化合物代谢对其生物学效应的影响。项目实施对于阐明不同芳香族化合物生物学效应差异的分子机制，深入理解异源芳香族化合物毒性作用机理等都具有重要意义。

芳香烃类化合物是自然界中广泛存在的一类对人体健康有重要影响的物质。然而食源和异源芳香烃化合物对人体的生物学效应却完全不同。色氨酸及其代谢物是食源性芳香烃化合物的主要种类，通过诱导芳香烃受体（AhR）发挥生物学效应。因此研究色氨酸代谢物的生成路径对于探明食源性芳香烃化合物的生物学效应机理具有重要意义。前期的研究报道了白介素4诱导基因1（IL4i1）表达的L-氨基酸氧化酶（LAAO）是体内催化色氨酸代谢的关键酶。在人体中，IL4I1主要在免疫细胞中表达，具有重要的免疫调节作用。为此，项目首先研究了体外IL4I1酶系统对色氨酸代谢的催化作用。另外通过构建Il4i1敲除小鼠，探索该代谢通路在机体内的功能。主要成果如下：.一、构建了IL4I1酶体外表达系统. 将人和小鼠IL4I1基因连接至Plenti载体上，利用慢病毒载体感染293T细胞，筛选获得了稳定表达IL4I1基因的293T细胞系。生化实验表明，过表达的IL4I1蛋白能够催化色氨酸代谢，是完整的功能蛋白。从293F细胞培养上清液中分离纯化了小鼠Il4i1蛋白，利用该蛋白进一步优化了酶促反应条件。.二、明确了IL4I1对色氨酸代谢物生成的催化作用，发现了内源吲哚丙酮酸代谢通路. 利用LC-MS/MS测定，确定IL4I1催化色氨酸代谢产生吲哚乙酸和吲哚甲醛。结合IL4I1代谢氨基酸产生丙酮酸的性质，推测IL4I1代谢色氨酸的反应过程可能为色氨酸→吲哚丙酮酸→吲哚乙醛→吲哚乙酸→吲哚甲醛。该过程与肠道菌群代谢色氨酸的吲哚丙酮酸通路一致，因此，IL4I1介导了宿主细胞内的吲哚丙酮酸代谢通路。.三、IL4I1的体内表达和功能验证. 利用单细胞测序技术和RT-PCR检测，确认小鼠Il4i1在迁移性树突状细胞中高表达，并且IL4I1代谢色氨酸的产物吲哚丙酮酸、吲哚乙酸和吲哚甲醛均能激活AHR信号通路。我们构建了Il4i1基因敲除小鼠。与野生型相比，Il4i1敲除小鼠体内黑色素瘤的生长明显变慢。上述结果均表明，IL4I1介导的色氨酸代谢在肿瘤免疫中具有重要作用，该作用可能是通过色氨酸代谢物激活AHR信号通路，调节树突状细胞的迁移与功能实现的。