生物钟基因 Bmal1 调控自噬在 PM2.5 诱导血管内皮功能损伤中的作用及其机制研究

Fine particulate matter (PM2.5) is the main component of atmospheric composite pollutants and is attracting more and more attentions from experts and scholars recently. Many researches have shown that PM2.5 is one of important risk factors in cardiovascular disease, which is closely related to clock gene regulation. At the same time, Bmal1 is the most significant volatile gene in clock genes. As a result, there exist some relationships between Bmal1 and cardiovascular disease induced by PM2.5, however, the specific mechanism is not clear. Therefore, we adopt the combination of in vivo and in vitro study, and use technical means, such as lentiviral transfection, immunohistochemical method, and quantitative real time PCR to explore the role of Bmal1 in vascular endothelial injury induced by PM2.5 and the influence on autophagy activity from the perspective of the biological clock regulation. We mine the relationship between the expressing changes of Bmal1 and vascular endothelial injury induced by PM2.5. We also clarify the mechanism of autophagy regulated by clock gene Bmal1 in PM2.5-induced vascular endothelial injury. The program can provide scientific experimental basis for establishing the relationship between clock and vascular endothelial injury induced by PM2.5. Moreover, it also can provide new ideas for analyzing mechanisms of PM2.5-induced vascular cardiovascular injury.

大气细颗粒物PM2.5是大气复合污染物的主要成分，近年来受到越来越多的专家和学者的广泛关注。大量研究证实PM2.5是导致心血管疾病发生的重要危险因素之一，而心血管疾病与生物钟基因调控密切相关，Bmal1又是生物钟基因中波动性最为显著的基因。但他们之间的具体作用机制尚不明确。因此，本项目拟从生物钟调控的角度，采用体内研究与体外研究相结合的方式，通过慢病毒转染、免疫组织化学法、荧光实时定量PCR等技术手段，探究PM2.5诱导血管内皮功能损伤作用及对自噬活性的影响，挖掘Bmal1表达改变与PM2.5诱导血管内皮功能损伤的关联关系，阐明Bmal1调控自噬在PM2.5诱导血管内皮功能损伤作用及其机制。本项目为建立生物钟与PM2.5诱导血管内皮功能损伤作用的关联提供科学的实验依据，并为PM2.5诱导心血管损伤机制研究提供新的思路和方向。

我国大气污染十分严重，大量研究证实大气细颗粒物PM2.5是导致心血管疾病发生的重要危险因素之一，而心血管疾病与生物钟基因调控密切相关，Bmal1又是生物钟基因中波动性最为显著的基因之一，但他们之间的关联关系及具体作用机制尚无相关报道。本研究首先构建细颗粒物的暴露体系并进行系统表征，利用实验室已建立的化学组分痕量分析平台及QA/QC体系，对前期收集的PM2.5进行主要无机元素和有机组分的综合分析，获取关键理化信息。采用场发射扫描电子显微镜、总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）分析仪、高效液相色谱-质谱联用（HPLC/MS）以及电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等进行颗粒物具体表征与组成成分鉴定与分析，结果表明暴露体系中颗粒物分散性良好，未出现聚集现象，同时明确了颗粒物中具体成分的平均浓度及含量。体外研究发现，长期暴露PM2.5能够对人脐静脉内皮细胞造成明显损伤，加剧氧化损伤、DNA损伤、细胞周期阻滞、细胞凋亡和炎症反应，引起细胞衰老及线粒体稳态失衡。基因芯片技术筛查结果提示PM2.5暴露对HUVEC细胞中的自噬通路及HIF-1通路分析具有显著性差异，利用Bmal1过表达和低表达细胞模型，分别测定不同浓度PM2.5暴露后各组细胞的mTOR信号通路相关蛋白表达，确定钟基因Bmal1表达变化能够影响mTOR信号通路相关蛋白表达，进而影响内皮细胞自噬功能。体内研究发现，长期暴露PM2.5可加剧对大鼠心血管系统的损伤作用，改变血管内皮的超微结构，造成血管内皮线粒体损伤，引起血管内皮氧化损伤。此外，本项目还分析了长期暴露PM2.5与心肌梗死风险及自然流产风险的关联性以及中国汉族人群先天性男性不育中精囊蛋白基因变异的相关性，并对PM2.5的主要成分纳米二氧化硅颗粒与苯并(a)芘、砷以及氡暴露对机体健康的不良生物学效应进行了初步探究。研究指出，纳米二氧化硅颗粒与苯并(a)芘低剂量联合暴露对人肺支气管上皮细胞BEAS-2B存在协同和相加的毒性作用，长期暴露亚砷酸盐能够诱导人永生化角质形成细胞中Nrf2表达升高进而抑制细胞自噬，氡暴露能够影响人支气管上皮BEAS-2B细胞miR-34a介导的细胞凋亡。