雏鸭黄曲霉毒素B1亚急性中毒肝脏损伤机制的研究

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饲料中黄曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)污染普遍存在,严重损害动物的健康,降低动物的生产性能,并造成畜产品中黄曲霉毒素的残留,给畜产品的食用安全带来极大隐患。雏鸭是常见畜禽中对AFB1最敏感的物种之一。我国是鸭生产大国,约占全世界出栏量80%。因此,阐明AFB1对鸭的毒性机理是寻求鸭AFB1中毒病防治的理论基础。肝脏是经口摄入AFB1在动物体内主要的蓄积、生物转化的场所,也是AFB1危害的主要靶器官,且雏鸭的肝脏损伤具有典型的病理学变化特征。因此阐明AFB1致鸭肝脏损伤的机理,并筛选出调控AFB1致鸭肝脏损伤的关键基因,为AFB1中毒病的防治提供了理论基础,是指导鸭安全生产的迫切需要。本研究首先从机体整体水平研究AFB1对雏鸭肝脏的毒性效应。在成功建立雏鸭亚急性中毒模型的基础上,采用RNA-seq技术测定AFB1亚急性中毒雏鸭肝脏基因表达谱的变化,采用生物信息技术分析AFB1作用下的差异表达基因、KEGG通路分析以及GO分析,并据此筛选调控AFB1致亚急性中毒雏鸭肝脏损伤过程中的重要候选基因。最后通过分子生物学试验验证候选基因在AFB1致雏鸭肝脏损伤过程中的作用,并对其调控机制进行研究,以阐明AFB1致雏鸭肝脏损伤的机制。本研究得到的主要结果如下。第一部分,模拟生产中雏鸭实际接触AFB1的剂量,建立雏鸭AFB1肝脏损伤模型。试验选取24只1日龄雄性樱桃谷肉鸭,分为4组,每组6只鸭。于8日龄开始连续2周分别灌胃0、10、20及40μg/kg·BW AFB1溶液,于23日龄时屠宰取样,测定并分析AFB1对雏鸭生长性能、血液生化指标、肝脏抗氧化功能及组织病理学变化的影响,综合评价AFB1对雏鸭的亚急性毒性效应。本试验得到的主要结果如下:1.与对照组相比,灌胃20及40μg/kg·BW AFB1使得雏鸭体重分别显著降低(P<0.05)8.6%及18.9%。同时,雏鸭的采食量在灌胃20及40μg/kg·BW AFB1组中分别下降了6.6%及17.8%。灌胃10μg/kg·BW AFB1对雏鸭生产性能无显著影响;2.与对照组相比,灌胃20及40μg/kg·BW AFB1显著增加(P<0.05)了雏鸭血清中ALT(35.3%及73.9%)和AST(28.8%及137.3%)的活性,降低(P<0.05)了血清中TP(20.8%及55.6%)和ALB(27.8%及67.5%)的含量。灌胃10μg/kg·BW AFB1对雏鸭血液指标无显著影响;3.与对照组相比,灌胃20及40μg/kg·BW AFB1显著降低了(P<0.05)雏鸭肝脏中GPX(17.5%及34.5%)、SOD(12.7%及18.1%)及CAT(17.1%及37.1%)的活性和GSH(30.9%及43.4%)的含量,以及升高了(P<0.05)肝脏中MDA(160.0%和251.4%)的含量。灌胃10μg/kg·BW AFB1仅显著增加(P<0.05)肝脏中MDA(48.6%)的含量,而对其它抗氧化指标无显著影响;4.不同浓度AFB1处理均导致雏鸭肝脏发生了病理学变化。与对照组相比,10μg/kg·BW组有轻微的胆管上皮增生,肝细胞胞质内空泡较大。20μg/kg·BW组部分肝细胞坏死,汇管区胆管上皮细胞增生较明显,肝细胞内脂滴增大且集中。40μg/kg·BW组肝细胞大量坏死,胆管上皮细胞增生明显,约一半面积被增生的胆管上皮占据,肝组织中脂质含量较少。第二部分,在AFB1致雏鸭肝脏损伤模型基础上,选取对照组及40μg/kg·BW AFB1灌胃组雏鸭肝脏样品,每组各取3个生物学重复的RNA样品等质量混合,进行RNA-seq测序,研究AFB1致雏鸭肝脏亚急性损伤过程中的差异表达基因,系统分析AFB1致雏鸭肝脏损伤的分子机制。本试验得到的主要结果如下:1.对照组和AFB1处理组肝脏组织RNA-Seq测序共得到了14.9 Gb的原始数据,经质量控制和de novo拼接后,对照组和AFB1处理组分别得到60,723,216及73,435,290个高质量的Reads,分别占其原始Reads比例的90.4%和89.7%。将这些转录子序列投射至NCBI NR和Uni Prot数据库中进行比对,最终有38110个转录子能得到注释,达到总测序数据库的39.3%;2.与对照组相比,40μg/kg·BW AFB1处理后雏鸭肝脏中共有749个基因差异表达大于2倍以上,其中,40μg/kg·BW AFB1处理使得肝脏中有512个基因在转录水平上调及237个基因转录水平下调;3.通过GO功能归类分析发现,上述差异基因中有391个基因是参与机体生物学过程、细胞组成和细胞功能相关。按照生物学过程分类方法中参与细胞代谢、氧化还原反应、免疫应答以及负调控细胞凋亡和脂肪酸代谢等过程相关基因变化最多。按照细胞组成分类,在线粒体、细胞核和跨膜蛋白等细胞组分中相关基因变化基因较多。按照分子功能相分类方法中具有催化活性、氧化还原酶活性和血红素结合功能等分子功能的基因变化较多;4.通过KEGG通路分析归类分析发现,差异基因中有293个基因与信号通路相关,其中含有DEGs最多的信号通路分别为代谢通路、次级代谢产物生物合成、谷胱甘肽代谢,以及其它代谢通路包括脂肪酸、化学物致癌及细胞色素P450外源化合物代谢通路;5.AFB1处理能显著上调肝脏中CYP 46A1、CYP 3A9-like和CYP 4B1-like的表达(P<0.05),同时,能下调CYP 2H1、CYP 1A5、CYP 27A1、CYP 2K1-like和CYP2F3-like的表达(P<0.05)。AFB1处理使肝脏中II相解毒酶系包括GSTA1、GSTA3和GSTK1的mRNA水平均显著上调(P<0.05)。6.应用实时荧光q-PCR测6个差异基因(CYP1A5、CYP2H1、GST3、Fasn、MT和MDM2)mRNA表达量,以验证测序的准确性。结果显示,与对照组相比,AFB1处理后雏鸭肝脏中CYP1A5、CYP2H1、Fasn和MT的mRNA水平显著下降(P<0.05),而GST3和MDM2 mRNA水平显著上升(P<0.05),结果与转录组测序的结果相符,证明了测序结果的准确性。MT及MDM2基因可能在AFB1致雏鸭肝脏损伤过程中发挥着作用。第三部分,在第二部分测序结果及前人研究结果基础上,筛选出候选基因金属硫蛋白(metallothionein,MT)和泛素蛋白连接酶E3(ubiquitin protein ligase E3,MDM2),预测它们可能在AFB1致雏鸭肝脏损伤中起到关键作用。本试验以雏鸭原代肝细胞为研究对象,构建MT及MDM2在雏鸭原代肝细胞的过表达或敲低表达的模型,研究其在AFB1致肝脏亚急性毒性中的作用及机制。主要研究结果如下:1.AFB1对雏鸭原代肝细胞存活力影响的试验。分别用25、50、75、100、125 ng/m L AFB1处理雏鸭原代肝细胞24 h,MTT法测定雏鸭原代肝细胞死亡率分别为14.2%、29.8%、47.9%、67.3%和70.8%。后续试验选择AFB1 IC30(50 ng/m L)开展基因功能验证试验;2.将MT过表达质粒及MDM2沉默质粒转染至雏鸭原代肝细胞。转染了MT过表达质粒组,与对照组相比,肝细胞中MT的mRNA和蛋白表达量分别显著增加了(P<0.05)56倍及1.5倍;将MDM2 si RNA转入雏鸭原代肝细胞24 h后,MDM2 mRNA和蛋白表达量分别显著降低了(P<0.05)42.7%及50.0%;3.对MT及MDM2在AFB1致雏鸭原代肝细胞毒性的功能研究表明,与对照组相比,50 ng/m L AFB1处理雏鸭原代肝细胞24 h后使其活力显著下降(P<0.05)30.0%,肝细胞过表达MT后显著缓解(P<0.05)了AFB1致其活力的下降。此外,肝细胞过表达MT能显著抑制(P<0.05)AFB1诱导其早期和晚期凋亡率及细胞死亡率。而肝细胞MDM2敲低表达后对AFB1致死活力无显著影响。4.50 ng/m L AFB1处理使得雏鸭原代肝细胞中GPX和SOD的活性显著降低(P<0.05)85.2%及43.6%,及MDA和AFBO-DNA含量分别显著增加(P<0.05)94.1%和43.5倍,而肝细胞过表达MT显著抑制或缓解(P<0.05)了AFB1诱导的这些变化。GST活性在3组间无显著差异。5.50 ng/m L AFB1处理使得雏鸭原代肝细胞中抗氧化基因PTGR、AR及Trx R显著下降(P<0.05),同时,显著下调(P<0.05)肿瘤抑制因子p53及上调(P<0.05)促凋亡基因Cas-3和下调(P<0.05)抗凋亡基因Bcl2。而肝细胞过表达MT显著抑制或缓解(P<0.05)了AFB1诱导的这些变化。综上所述,本研究得出以下结论:雏鸭摄入20μg/kg·BW AFB1即可造成肝脏亚急性损伤。AFB1诱导了肝脏中参与I相酶代谢、Ⅱ相酶结合、氧化还原过程、致癌、细胞凋亡、细胞周期以及脂肪酸代谢等过程基因的异常表达。结果还表明:AFB1致雏鸭肝脏损伤与其诱导MT表达下调有关。
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