科研 | 加州州立理工大学: 转录组分析揭示深水地平线钻井平台泄漏的石油对海滨沙鹀具有广泛的毒性效应
编译：秦时明月，编辑：十九、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
论文ID
原名：Transcriptome analysis indicates a broad range of toxic effects of Deepwater Horizon oil on Seaside Sparrows
译名：转录组分析揭示深水地平线钻井平台泄漏的石油对海滨沙鹀具有广泛的毒性效应
期刊：Science of the Total Environment
IF：5.589
发表时间：2020.2
通讯作者：A. BONISOLI-ALQUATI
通讯作者单位：加州州立理工大学
DOI号：10.1016/j.scitotenv.2020.137583
实验设计
本研究所用的海滨沙鹀在美国路易斯安那州东南部的两个地点（一处染油一处未染油）收集，并利用放射性碳和稳定碳分析采集的鸟类在羽毛和内脏中是否含有油脂。研究人员对研究地点的沉积物样品进行了油源指纹分析以及总烷烃和芳香烃的量化，并检测了与DWH泄漏前相比烷烃和多环芳烃浓度的变化。本研究使用来自海滨沙鹀肝脏样本的总RNA进行微阵列分析。差异表达基因（DEG）定义为：与对照鸟类相比，受污染鸟类中的基因表达变化倍数≥1.5或≤-1.5，并只选择表达差异的FDR<0.1的基因，然后进行了GO富集与 Ingenuity 通路分析（IPA）。最后，研究人员分析了这些DEG在经典途径、疾病和生物功能以及解毒功能中的作用，并预测了这些DEG上游的转录调控因子。
结果
1 受污染鸟类与对照鸟类基因表达谱的差异
该研究鉴定出了295个差异表达基因（63个下调基因和232个上调基因）（图1）。在这295个基因中，40个没有任何相关的基因符号，另外25个被注释为编码未知或非特征蛋白质。
图1 差异表达基因。（A）火山图显示了受污染鸟类与对照鸟类的差异表达基因。（B）受污染鸟类和对照鸟类差异表达基因的聚类表达分析。
2 GO富集分析
通过GO分析识别出的90个GO分类通过去除冗余的GO分类而减少到31个。在基因富集分析中，最具代表性的GO分类与多种代谢、细胞和发育、刺激激活过程有关。一些富集的GO分类与细胞过程的正调控（GO:0048522：细胞过程的正调控）和负调控（GO:0048523：细胞过程的负调控）有关，也包括细胞死亡和凋亡（GO:0008219：细胞死亡；GO:0042981：凋亡过程的调控）。GO分类也与响应多环芳烃的反应有关，包括细胞芳香化合物代谢过程（GO:0006725）、有机物质代谢过程（GO:0071704）和细胞对含氧化合物的反应（GO:1901701）。其他显著丰富的生物学功能包括脂肪酸代谢过程（GO:0006631）和RNA聚合酶II启动子转录调控（GO:0006357）。
3 经典途径、生物和毒性功能以及上游调节因子分析
研究人员根据IPA数据库分析发现，富集最多的经典途径是未折叠蛋白反应、sirtuin信号、ERK5信号、醛固酮信号、甲状腺素和甲状腺激素代谢、自噬、脂肪生成、p53信号、蛋白泛素化、FXR/RXR激活、PEDF信号，糖皮质激素受体信号、IL-7信号、PPAR信号、AhR受体信号、RAR激活和TR/RXR激活（图2）。
经典路径的变化可能会影响许多生物功能并产生各种疾病（图3）。总的来说，能量内稳态通过多种方式改变，包括激活碳水化合物和脂质的合成和代谢，从而防止血糖异常和低血糖，以及脂质、类固醇和脂肪酸的合成异常。DNA表达、RNA转录和RNA反式激活的整体结果也证实了激活功能的多样性，这些都显著丰富了生物功能分析。
该研究预测的不良结果包括促进肝细胞增殖和增生，抑制脂肪变性、细胞死亡、凋亡和肝坏死（图4）。研究人员发现，某些二甘醇与其他器官，特别是与心脏和肾脏的不良反应有关。一些DEG与心肌细胞和心肌肥大、心肌炎症和氧化应激有关。肾小管肥大和肾细胞凋亡也被预测为某些基因差异表达的结果。
此外，该研究确定了几个上游调节因子。分析表明，皮质酮和其他糖皮质激素是DEG的上游调节因子。这与糖皮质激素受体信号转导是富集的经典途径之一，与过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARG）基因及其辅激活剂PPARG辅激活剂1-alpha（PPARGC1A）的上调相一致。过氧化物酶体增殖物激活受体∂（PPARD）也被预测在DEG上游被激活。其他预测的上游调节器包括：一种应激诱导蛋白核蛋白1（NUPR1）；一种已知对肝脏发育至关重要的锌指蛋白转录因子GATA4；细胞白血病抑制因子；以及一种有效的有丝分裂原和生长刺激剂血小板衍生生长因子BB（PDGF BB）。另外，研究发现B细胞受体（BCR）复合物作为一种被抑制的上游调节因子，在调节B细胞增殖和凋亡中起着关键作用。
4 芳烃和烷烃的沉积物浓度分析
2011年，在捕获受污染鸟类的地点附近采集的四个沉积物样品中，芳烃的平均浓度为4455.8μg/kg，而来自对照地点的四个沉积物中的平均浓度为409.7μg/kg。油区沉积物中总烷烃的平均浓度为3.7mg/kg，而对照区沉积物中总烷烃的平均浓度为106.2mg/kg。
结论
本研究结果表明，为了应对因深水地平线钻井平台漏油而受到石油污染的情况，在自然环境中的海滨沙鹀经历了一系列复杂的分子变化。参与这些反应的基因因为长期响应石油污染，导致鸟类肝脏肥大和能量内稳态发生变化。该研究指出，在受到石油污染的鸟类中，肝脏增殖与抑制细胞凋亡以及一系列能量来源和内环境稳态的变化之间是互相协调的。这些变化与沿海和远洋鱼类暴露于同一油源的转录组研究一致。同时，因为以前的鱼类研究使用匀浆而不是单一组织进行取样，可能会忽略本研究中确定的一些途径和生物功能。这些表达模式在脊椎动物中高度保守，有望成为精细的生物标记物，以及成为检测野生动物是否受到石油影响的普遍测试反应。
评论
2010年4月20日，英国石油公司在美国墨西哥湾租用的钻井平台“深水地平线”发生爆炸，导致大量石油泄漏，酿成一场环境惨剧。本研究首次利用微阵列分析探讨了美国本土陆生物种海滨沙鹀对深水地平线泄露石油的转录水平变化。与以前的研究不同，该研究分析了在一个特定的器官-肝脏中的基因表达变化，而不是在幼虫和胚胎的匀浆中进行测试，这种组织特异性使得在鉴定差异表达基因在丰富的代谢途径中的特殊作用及其下游生理效应方面具有前所未有的准确性。本研究明确了在漏油事件发生后的几年内，石油污染地点附近的海滨沙鹀巢穴的雏形成功率较低是由于石油的直接毒理作用，或者更确切地说是由于石油开采的生态影响所造成的。总之，该研究明确了海滨沙鹀在石油污染后的分子机制变化，深入了解了石油对海滨沙鹀的毒理作用，并为今后开发针对受石油污染陆生生物的解毒治疗提供了重要的理论参考。
更多推荐
1 科研 | PNAS：转录组学揭示急性和慢性饮酒对肝脏昼夜新陈代谢有不同的影响