基于代谢组学的金、银纳米粒子细胞毒性分子机理研究

The specific interaction mechanism of nanomaterials on biological system at different levels (molecular, cellular, organ and tissue) is a crucially important content in the study of nanotoxicology. As metabolite is the endpoint of the toxicity of nanoparticles, it is of great significance to explore the molecular mechanism of the cytotoxicity of nanoparticles from the view of metabolism. The purpose of this project is to investigate the cytotoxicity mechanism of gold and silver nanoparticles based on combined analysis of multi-biomics results. The main contents are as follows: 1) Analyze the effect of gold and silver nanoparticles on metabolite expression profiles in cells with metabolomics methods. 2) Discuss and compare the different molecular mechanism between gold and silver nanoparticles by combining the results from metabolomics experiments, bioinformatics analysis and cell/molecular biology verification experiments. 3) Find out the relationship between gene, protein expression and metabolite expression in gold/silver nanoparticle-treated cells, with integrative analysis of results from genomics, proteomics and metabonomics experiments. Construct gene-protein-metabolite signal pathway, and finally illustrate the internal relation of gene transcription-protein expression-metabolite production-cell proliferation/suppression. It is a new idea for revealing the molecular mechanism of cytotoxicity of nanoparticles by advancing single biomics to multi-biomics research.

纳米材料作用于分子、细胞、组织和器官等不同层次的生物体系的机理是纳米毒理学研究中极其重要的内容。由于代谢物是纳米粒子毒性作用的终点，因此从代谢角度探究纳米粒子细胞毒性的分子机理具有重要意义。本项目拟通过多层次生物组学结果的联合分析，系统探讨金、银纳米粒子的细胞毒性分子机理。主要内容包括：1）采用代谢组学技术分析和比较金、银纳米粒子作用后细胞代谢物表达谱的变化；2）结合代谢组学实验、生物信息学分析和细胞/分子生物学验证实验结果，在代谢层次阐明和比较金、银纳米粒子不同细胞毒性的分子机理；3）通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学结果的联合分析，探讨基因、蛋白质表达与代谢物表达的关系，构建纳米粒子与细胞作用中的基因-蛋白质-代谢物信号通路，系统阐述从基因转录-蛋白质表达-代谢物产生-细胞增殖/抑制的内在联系。将单一生物组学研究提升为多层次组学联合研究，是纳米粒子细胞毒性分子机理研究的新思路。

纳米材料作用于分子、细胞、组织和器官等不同层次的生物体系的机理是纳米毒理学研究中极其重要的内容。由于代谢物是纳米粒子毒性作用的终点，因此从代谢角度探究纳米粒子细胞毒性的分子机理具有重要意义。而基因、蛋白质、代谢物表达之间存在密切的相互联系，只有从系统角度进行探究才能全面、系统地揭示复杂的纳米粒子细胞毒性机理。本项目以金、银纳米粒子为切入点，通过多层次生物组学结果的联合分析，系统探讨金、银纳米粒子的细胞毒性分子机理。主要内容包括：1）在细胞水平上研究金、银纳米粒子对人皮肤成纤维细胞增殖、细胞周期、细胞凋亡的影响；2）采用代谢组学技术比较金、银纳米粒子作用后细胞内代谢物表达谱的变化，筛选差异表达代谢物；3）对差异表达代谢物进行生物信息学分析，筛选金、银纳米粒子与细胞作用中关键代谢物和关键代谢通路并进行验证，在代谢层次阐释和比较金、银纳米粒子不同细胞毒性的分子机理；4）对基因组学、蛋白质组学和代谢组学结果进行联合分析，构建金、银纳米粒子与细胞作用中的基因-蛋白质-代谢物信号通路，系统阐述从基因转录-蛋白质表达-代谢物产生-细胞增殖/抑制的内在联系。. 通过本项目的研究，首次在代谢层次上发现纳米金作用后导致关键代谢物谷胱甘肽含量增加，可能触发细胞内应对纳米金介导的氧化应激的保护机制，最终未产生细胞毒性。而纳米银作用后主要通过三羧酸循环通路，使柠檬酸含量升高，关键代谢物苹果酸含量降低，影响ATP的生成，最终导致细胞毒性。通过对基因、蛋白质和代谢物表达数据的联合分析发现，纳米金作用后，上游基因CERS4、蛋白质SGMS2通过鞘脂类代谢通路调控鞘氨醇的表达，最终并不影响人皮肤成纤维细胞增殖。纳米银作用后，上游基因PCK2、ME3、蛋白质ACO2、IDH1和MDH2通过三羧酸循环通路、丙酮酸代谢通路调控下游苹果酸的表达，最终抑制细胞增殖。本研究将单一生物组学数据分析提升为多层次生物组学数据的联合分析，是纳米粒子细胞毒性分子机理研究的新思路。