多組学の統合分析：プロテオミクスとリピドミクスによる環境汚染が大西洋タラに与える影響の解明
海洋環境は継続的な汚染圧力にさらされています。石油や天然ガスなどの海上作業だけでなく、工業や農業活動、下水排出を含む陸地からの汚染源からの汚染物質も大量に存在します。その中で、環境汚染物質として特に豊富なものが多環芳香族炭化水素（PAH）とパーフルオロアルキル物質（PFAS）です。これらは海洋生物、いくつかの魚類や海洋哺乳類においても検出されています。いくつかの硬骨魚をPAHとPFASに曝露させたところ、発育毒性、行動の異常、生殖系の破壊などの有害な影響が確認されました。PAHとPFASが結合してどのように毒性を発揮するかについての研究はまだ少ないです。
環境毒物学において、生物指標は化学物質曝露の敏感な早期警告信号として使用されます。PAH曝露の一般的な生物指標には、芳香族炭化水素受容体（Ahr）の活性化を通じたシトクロムP450 1A（Cyp1a）の誘導、DNA付加体の形成やDNAの断片化、胆汁中のPAH代謝物の蓄積があります。PFAS曝露の特定の生物指標はまだ明確ではありませんが、肝臓組織における抗酸化酵素活性、エネルギー代謝、DNA恒常性の変化を評価することでPFASの毒性に関する貴重な情報が得られます。したがって、プロテオミクスやリピドミクスなどのハイスループット手法を用いることで、毒性メカニズムを理解し、PFAS曝露の潜在的な生物指標を提供することができます。
大西洋タラ（Gadus morhua）は、環境毒物学においてますますモデル生物として使用されています。本研究の目的は、PAHとPFASの環境関連混合物に曝露された大西洋タラの生物学的反応を調査することです。研究での低用量混合物は、野生の大西洋タラの肝臓で報告されたPAHとPFASの濃度に基づいており、高用量混合物は低用量濃度の20倍（20x）です。曝露を確認するため、タラの肝臓中の蓄積したPFAS、胆汁中のPAH代謝物を測定しました。肝臓サンプルに対するプロテオミクス分析を行って肝タンパク質の変化を調査し、肝臓微粒体成分に対するリピドミクス分析を行って脂質代謝の変化を調査しました。さらに、白血球における生物学的反応、例えばDNAの断片化、酸化ストレス、内分泌撹乱も評価しました。
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雑誌: Aquatic Toxicology
インパクトファクター: 4.344
発表年月: 2020年8月
記事リンク: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166445X20303404
要約
本研究の目的は、多環芳香族炭化水素（PAH）とパーフルオロアルキル物質（PFAS）の特定の混合物を、環境関連の低用量（1×= L）または高用量（20×= H）で大西洋タラ（Gadus morhua）に曝露させた際の生物学的反応を調査することです。これを目的に、2週間の体外実験を行い、0日目と7日目に腹腔内注射を通じて養殖された幼体タラを曝露させました。全体で10グループの魚サンプル（n = 21-22）：2つの対照群、4つのPAHおよびPFASの単独混合物（L、H）曝露群、および4つのPAHおよびPFAS混合（L / L、H/ L、L / H、H / H）群があります。体負荷分析により、タラの肝臓におけるPFASと胆汁におけるPAH代謝物の用量依存的な蓄積が確認されました。3つのPAH / PFAS併用曝露群（L-PAH / H-PFAS、H-PAH / L-PFAS、H-PAH / H-PFAS）で、肝体指数（HSI）が有意に低下しました。肝タンパク質群の解析により、脂質分解に関連する経路がPFAS曝露の影響を受けていることが示され、特に脂肪酸分解経路での酵素の上昇が顕著でした。H-PFAS曝露群では、脂質分解代謝経路における酵素の豊富さの増加はトリアシルグリセロール（TGs）含量の減少と並行しており、大西洋タラにおけるPFASが脂質分解代謝を増加させることを示しています。PFAS曝露はまた、過酸化水素酵素およびグルタチオンS-トランスフェラーゼの活性といった酸化ストレスの指標を誘導しました。この曝露群と対照群の間では、cyp1aとacox1の遺伝子発現、血漿中の卵黄原蛋白濃度、Cyp1aタンパク質合成、DNA断片化において微小な差異と非有意差異のみが見られました。総じて、研究者はプロテオミクスおよびリピドミクス分析を組み合わせることにより、PFASが大西洋タラの脂質恒常性を破壊する可能性があることを示しました。
主な結果
フルトン条件係数(CF)および肝体指数(HSI)は成長性能を示すパラメータであり、対照群および曝露群のCFを比較した際には有意差は見られませんでした。しかし、対照群と比較してL-PAH / H-PFAS、H-PAH / L-PFAS、H-PAH / H-PFAS群のHSIは有意に低下しました（p <0.05）。肝タンパク質群の解析では、PFAS群において対照群と曝露群（L-PFASおよびH-PFAS、p = 0.005、q値<0.125）を比較した際、最初の111種の差異発現タンパク質が階層クラスタリングに使用され、L-PFASおよびH-PFAS群の多くのタンパク質が類似した発現パターンを示し、データに用量反応の傾向が存在することが示唆されました。最初の111種の差異発現（p = 0.005、q値<0.125）タンパク質のうち76種について経路およびネットワーク解析を行ったところ、特にエネルギー代謝に関連する経路が有意に豊富であり、ペルオキシソームおよびミトコンドリア脂質分解代謝経路、さらにはアミノ酸代謝経路およびプロセスと関連していました。遺伝子富化解析により、顕著に豊富な経路FATTY_ACID_METABOLISMが特定され、この経路には脂肪酸分解経路（例えば脂肪酸β-酸化）におけるいくつかの酵素の上昇が含まれていました。肝臓微粒体成分に対するリピドミクス解析により、9つの異なる脂質サブファミリーに属する130種の脂質が同定されました。異なる曝露群の肝臓中の脂質プロファイルを対照群と比較した際（図S8）、H-PFAS群の脂質群のみが対照群と有意に異なり、生成された42のVIP > 1により一部のTGが相対的に減少し、一部のリン脂質が増加しました。研究ではまた、PAH単独曝露ではCatおよびGstの活性に影響を与えないことも発見されましたが、L-PFAS群では2つの酵素の活性が有意に（p <0.05）誘導されました。cyp1aおよびacox1の遺伝子発現、血漿中の卵黄原蛋白濃度、Cyp1aタンパク質合成、DNA断片化といった生物指標においては、影響が観察されなかったか、わずかでした。
PAHおよびPFASに曝露された大西洋タラの成長性能
L-PFASおよびH-PFASと対照のタラ肝臓中で最も差異のあるタンパク質の双方向階層クラスタリング
L-PFASおよびH-PFAS群タラの肝臓中で差異発現した76種のタンパク質のSTRING相互作用ネットワーク
PAHおよびPFASに曝露された大西洋タラ肝臓中のGstおよびCat活性
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