水环境氧化磷酸化解偶联剂类污染物对斑马鱼胚胎能量代谢模式的影响及发育毒性机制研究

The development of organisms consists of multiple cellular behaviours, which are crucially regulated by energy metabolism. Different modes of energy metabolism play their characteristic roles during specific developmental stages, and the disruptions from environmental chemicals would lead to an abnormal developmental process of embryos. The oxidative phosphorylation uncouplers in aquatic environment could disrupt normal energy metabolism of aquatic organisms, causing developmental toxicity to them, but the underlying mechanisms remain unclear. This study chooses zebrafish embryo as model animal, two typical oxidative phosphorylation uncouplers pentachlorophenol and dinitrophenol as test chemicals, and bioinformatics methodology as supplementary research tool. Concerning the relationship of energy metabolism and developmental toxicity in developing embryos, study contents include the analysis of metabolites, gene/protein expression, morphological phenotypes and cellular mitochondrial physiology under the exposure to the toxicants during embryonic development. The study systematically analyze the impacts of aquatic environmental oxidative phosphorylation uncouplers on embryonic glycolysis, oxidative phosphorylation and mitochondrial situations, to characterize the biological consequences of development under the preference and switch of two modes, and uncover the potential mechanisms of developmental toxicity of oxidative phosphorylation uncouplers to zebrafish embryos.

生物体的发育由多种细胞行为构成，而能量代谢是这些细胞行为的重要调控因素，因此能量代谢模式在程式化发育的不同阶段中均有其特定作用，环境污染物的干扰将导致发育过程的异常。水环境中存在的氧化磷酸化解偶联剂类污染物可能通过影响能量代谢，从而导致水生生物的发育毒性，但目前它们的发育毒性机制尚未得到确认。本研究以斑马鱼胚胎为受试对象，以五氯酚和二硝基苯酚为代表物质，配合生物信息学分析技术，围绕胚胎发育过程中能量代谢与发育毒性的相互关联与机制，通过从在发育过程中暴露所影响的能量代谢产物、基因/蛋白表达、形态学表型、细胞线粒体生理状态等相关层面的研究内容，系统地分析水环境中氧化磷酸化解偶联剂类污染物对胚胎发育过程中糖酵解和氧化磷酸化两种能量代谢模式和线粒体生理状态的影响，深入揭示能量代谢模式选择和相互切换时对机体发育的生物学后果，阐明氧化磷酸化解偶联类污染物对斑马鱼胚胎发育毒性的机制。

水环境中存在的氧化磷酸化解偶联剂类污染物可能通过影响能量代谢，从而导致水生生物的发育毒性。本研究以斑马鱼胚胎为受试对象，以五氯酚、双酚A和羟基四溴联苯醚为代表物质，系统地探究具有氧化磷酸化干扰活性的酚类污染物对动物发育中能量代谢过程的影响及相应的发育毒性后果。研究以转录组和代谢组数据为基础，配合生物信息学分析技术，围绕胚胎发育过程中能量代谢与发育毒性的相互关联与机制，通过从在发育过程中暴露所影响的能量代谢产物、基因表达、酶活性、形态学表型和细胞线粒体生理状态等多个层面的研究内容，系统地分析水环境中氧化磷酸化解偶联剂类污染物对胚胎发育过程中糖酵解和氧化磷酸化两种能量代谢模式和线粒体生理状态的影响。研究揭示了三种酚类污染物的氧化磷酸化干扰作用在转录和代谢层面的组学表现，三者均可导致线粒体相关能量代谢过程的异常。而与另二者不同的是，五氯酚作为传统的氧化磷酸化偶联剂，具有影响NAD+代谢的独有效应，这也与转录组测试中gapdhs转录本表达量异常上调的结果相吻合。在以五氯酚为代表的转录组测试分析中，我们发现五氯酚在原肠期和体节期内均可导致糖酵解酶基因的大量上调和呼吸链代谢酶的大量下调，说明五氯酚不仅对氧化磷酸化具有抑制作用，而且能导致糖酵解的异常激活。但有趣的是，原肠期（10 hpf）和体节期（24 hpf）内上调的糖酵解酶编码基因却几乎完全不同。在对应的发育表型上，五氯酚造成胚胎在原肠期内的发育延迟，以及体节期内部分器官的形态发生过程异常。线粒体生理活性方面，三种污染物均能造成线粒体膜电位降低，说明三种污染物均具有传统氧化磷酸化解偶联剂的特征；但是仅有五氯酚不仅能导致ATP产率的显著减少，而且还能导致LDH的释放，使其具备Warburg效应的特征，这与我们之前的研究成果相呼应。我们的研究表明能量代谢干扰作用的复杂性及污染物对能量代谢的干扰所可能带来的对发育的深远影响。