中华预防医学杂志    2013年10期 环境-基因-表观遗传-生命历程相互作用在毒理学研究中的意义    PDF     文章点击量:1391    
中华预防医学杂志2013年10期
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何云 庄志雄
环境-基因-表观遗传-生命历程相互作用在毒理学研究中的意义
中华预防医学杂志, 2013,47(10)
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环境-基因-表观遗传-生命历程相互作用在毒理学研究中的意义
何云 庄志雄     
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中华预防医学杂志2013年10月第47卷第10期Chin J Prev Med, October 2013, Vol47, No10
DOI: 103760/cmajissn02539624201310015
基金项目:国家自然科学基金(81273127,81273097);中山大学“百人计划”引进人才科研启动基金
作者单位:510080 广州,中山大学公共卫生学院预防医学系(何云);深圳市疾病预防控制中心(庄志雄)
通信作者:庄志雄,Email:zxzhuang2007@126com·专家笔谈·

环境基因表观遗传生命历程相互作用在毒理学研究中的意义

何云庄志雄

毒理学是预防医学的基础学科,是研究外源性化合物、物理和生物因素对人体和环境的毒作用及其机制,并对其进行定性和定量评价,为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的一门学科。当前,环境污染、职业卫生、食品和药品安全等已成为我国和全世界社会和经济发展所面临的重大问题。社会对毒理学的重视和期望达到了前所未有的高度。
由于不能用人体直接进行试验研究,所以毒理学研究中广泛采用实验动物作为人类的替代物。但是,长期以来,毒理学体内试验一直存在着几个严重的问题:(1)动物染毒剂量远远高于人体实际接触剂量,导致高剂量到低剂量推导的不确定性;(2)小数量实验动物到大量人群外推的不确定性;(3)从单纯遗传背景的近交系实验动物中所得到的结果外推到复杂的遗传背景的人群的不确定性;(4)传统毒理学试验使用大量实验动物,耗资、耗时、耗人力,难以适应实际需求;(5)难以研究化学物暴露和基因的交互作用;(6)以疾病或死亡为观察终点,不能提供足够的毒作用机制的信息;(7)常规使用成年健康的大鼠,未考虑易感的年龄阶段对毒物作用的影响,难以制定可为社会接受的安全限值。
有鉴于此,2007年美国国家研究院(NRC)发表了一份报告(toxicity testing in the 21st century: a vision and a strategy)[1],提出21世纪毒性测试的重点将由整体动物试验转向基于人类细胞、细胞系和(或)细胞组分等实验动物替代方法;毒性测试将重点关注:(1)选择和评价敏感的检测终点;(2)建立和应用高通量、中通量方法;(3)研究细胞反应网络;(4)研究作用机制与作用模式;(5)阐明毒性通路与系统生物学效应。该报告描绘了毒理学测试的最高理想:高通量、高灵敏度、低成本、预测能力强而且准确,并预言未来的毒性测试将主要依赖于体外试验和基于计算机、数学等模型的非生物学试验,而传统的动物实验将可能部分甚至全部被替代。
但是,笔者认为,体外试验可以作为体内试验的辅助与补充,但不可能完全替代体内试验;计算机模型等非生物学试验替代生物学试验是未来毒性测试的发展方向,但是其数据必须建立在正确掌握人体正常运作的机制以及疾病发生的机制的基础之上。以目前医学发展水平,距离掌握生命的全部奥秘尚为遥远。目前,美国国立卫生研究所(NIH)资助建立的比较毒理基因组数据库(comparative toxicogenomics database,CTD)中,体外研究占大多数[2]。现有的几种数学模型均无法模拟和预测NIH耗资巨大的遗传与表型干预研究(heredity and phenotype intervention,HAPI)和抗血小板干预的药物基因组学(pharmacogenomics of antiplatelet intervention,PAPI)研究的结果。这充分说明,建立在体外研究基础之上的数学模型无法准确预测体内人群研究的结果。
为了建立计算机模型,我们必须首先了解疾病发生的影响因素及其机制。早期的疾病研究往往是研究单一环境因素或单一遗传因素与疾病的关系。随着医学的发展,人们发现,很多疾病是受多种环境因素和多种遗传因素影响的,并且环境因素和遗传因素之间存在交互作用。Hwang等[3]用病例对照研究分析了母亲吸烟和婴儿转化生长因子α(TGFα)基因遗传变异的相互作用与腭裂的关系。结果显示,易感基因型阳性但母亲不吸烟的婴儿患腭裂的OR=081,母亲吸烟但基因型正常的婴儿OR=108,母亲吸烟又有易感基因型的婴儿OR=560,表明母亲吸烟与该易感基因型对腭裂的发生具有明显的协同效应。这充分说明,单纯的环境因素或单纯的遗传因素都不能准确反映其对疾病发生的贡献,甚至得出与疾病无关的假阴性结果。耗资巨大的全基因组关联研究(GWAS)正是因为忽视了环境因素以及环境基因的交互作用,仅仅考虑了遗传对疾病的贡献,所以未能得到满意的结果[45]。事实上,仅仅在一个时间的横断面上研究环境基因的交互作用也是不可能完全解释疾病发生的。
疾病的发生发展是一个复杂的过程。如果说在疾病发生的多元回归方程中,单一环境因素或单一遗传因素是一维系统,多种环境因素之间、多种遗传因素之间以及环境基因之间的交互作用就是二维系统。但是,仅仅考虑到这一点也是不够的。众所周知,人类在整个生命过程中都受到环境的影响,机体从受精卵开始就与各种环境因素相互作用,不断地变化和适应环境,逐渐形成自己独有的、可遗传的、对外界环境做出应答的表观遗传体系[6]。表观遗传体系既是环境基因交互作用随生命历程的时间轴不断变化的基础、结果和体现,也是环境基因交互作用机制的重要组成部分。
在“疾病与健康的发育起因学说”(developmental origins of health and disease,DOHaD)和“生命历程理论”(life course theory) 的基础上,国际上近年来掀起了“生命历程流行病学”(life course epidemiology)研究的热潮[5]。生命历程流行病学是研究妊娠、儿童、青少年、青年和中老年时期暴露于理化和社会因素对远期健康与疾病的长期影响的一门学科,其目的是探明贯穿个体生命历程或者跨越多代的生物学、行为、心理过程对疾病发展危险性的影响。笔者认为,只有在毒理学中引入“生命历程”的概念,才能在传统毒理学、毒理基因组学、蛋白质组学、代谢组学、暴露组学、系统生物学和生物信息学的基础上全面把握毒作用机制,建立和完善具有预测价值的计算机模型和安全性评价方法,最终形成新的“系统毒理学”体系。
因此,疾病的发生是环境基因表观遗传生命历程相互作用的结果,是建立在环境基因表观遗传生命历程与疾病的四维系统之上的。传统的毒理学研究大多停留在一维系统之上,鲜有二维系统的研究。全基因组关联研究是典型的多种遗传因素与疾病的一维系统研究。近年来提出的暴露组(exposome)的概念是环境生命历程与疾病关系的二维系统,将人们对疾病发生的危险因素的认识向前推进了一步[7]。
面对如此复杂的影响疾病发生的系统,用传统毒理学的体内、体外试验和人群研究方法都难以全面揭示疾病发生的机制,也难以对外源化合物进行可靠的安全性评价。众所周知,体外试验结果是在人为制造的与体内环境相差很多的条件下完成的,其优点是简单、快速、经济、用药量小,易于运用高通量、中通量的方法研究某一种相对均一的细胞对外源化学物的反应以及毒性通路,但是其缺点也是不容忽视的:(1)体外试验无法获得“靶器官靶组织靶细胞”的信息,而我们知道,识别“靶器官靶组织靶细胞”是毒作用机制研究中的最重要的一步,不同细胞对于同一种化合物的反应性可能是截然不同的;(2)体外试验存在外源化合物难以代谢活化的问题,有的外源化合物本身无毒或低毒,但是经机体代谢后可以产生高于原型数百倍毒性的代谢产物;(3)环境化学污染物往往有低剂量长期暴露的特点,并且在体内有蓄积性,体外试验无法反映外源化合物在体内的蓄积作用;(4)体内细胞不仅与其附近相同和不相同种类的细胞相互作用,而且与免疫系统、神经系统和内分泌系统相互作用,共同决定其对外源化学物的反应,因此体内和体外所获得的毒性通路在很大程度上是不一致的。由此可见,在探讨作用机制方面,体外试验不可能替代体内试验,只能作为体内试验的辅助、补充与验证。另外,疾病的发生是环境基因表观遗传生命历程相互作用的结果,体外试验无法体现环境基因表观遗传相互作用在生命历程轴上的变化,所以也不可能替代体内试验,作为可靠的安全性评价的方法。
传统毒理学的体内试验忽视了有害因素对胚胎发育和出生后生长发育期个体的危害,选用背景单纯的成年健康的近交系动物进行毒性检测,结果可能导致漏检,引起严重的后果。人们早就认识到,生长发育是一个“时间空间”上精密调节的过程。机体在胚胎发育或出生后生长发育时期对有害因素的易感性远远高于成年期。而且,传统毒理学所研究的发育毒性与致畸作用仅仅以发育期生物体死亡、生长改变、结构异常、功能缺陷等严重的损害为观察终点,没有充分关注反映早期轻微损害的分子事件、细胞事件和毒性通路,更没有追踪这些轻微损害对将来成年期的影响。许多流行病学调查、临床以及动物和人的实验证据表明,早期生活经历可能通过表观遗传机制,跨越多代遗传,造成机体一生的代谢失调,对生命后期疾病的发生发展产生重要影响[89]。研究显示,表观遗传分析可以用作早期代谢病理的标志物,使疾病的早期生命阶段的预防成为可能。因此,现代毒理学体内试验应该重视多种环境污染物低剂量、长期暴露对胚胎发育和出生后生长发育的影响,以及对成年后的远期效应的影响和机制。
早期毒理学的人群研究是和职业暴露联系在一起的,而从业人员往往是成年人,因此传统流行病学调查关注的是成年职业人群的内暴露、外暴露水平和毒性效应的关系。由于当前环境污染、职业卫生、食品和药品安全等问题日益严重,整个社会都面临着化学污染物的影响,如果忽视职业人群整个生命历程甚至几代人所受其他环境暴露的效应,我们很难准确评价职业暴露对他们的影响。因此,在人群研究方面,应该在全民范围内建立出生队列档案,将来不仅应该为每一个人设立“基因名片”,而且应该收集生长发育不同阶段的环境暴露资料、内暴露资料及表观遗传资料,作为评价职业暴露与疾病关系的基础。
当前,除了应该在人群中开展环境基因表观遗传生命历程与疾病关系的研究外,我们还应该运用模式生物,尤其是转基因动物大力开展这方面的研究。模式生物具有以下优点:容易获得、易于在实验室饲养和繁殖;繁殖周期短、子代多;基因组数目少,遗传背景清楚;容易进行遗传操作和表型分析;从模式生物中得到的结论通常适用于其他生物。模式生物的应用为解决传统毒理学的问题提供了可能性。人们可以通过基因转移,在代谢途径上人为控制某一化学物的代谢;在整体水平上,可以人为控制某一基因的表达水平,从而阐明该基因在化学物所致毒性过程中的作用。模式生物允许研究者模拟人类从受精卵开始低剂量、长期接触环境化合物,研究其对机体的影响以及对成年疾病的远期效应;允许研究者在生命历程的时间轴上运用各类常规组学技术、组织芯片技术、报告基因活体示踪技术、报告基因的分子成像技术、激光捕获显微切割技术、单细胞测序和单细胞转录组学技术等,对环境基因表观遗传的交互作用与疾病发生发展的关系进行研究。各种不同的模式动物或植物的应用,将对阐明化学物的毒性作用机制,提高安全性评价的可靠性起到重大的作用。
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参考文献
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[2]Davis AP,Murphy CG,Johnson R,et alThe comparative toxicogenomics database: update 2013Nucleic Acids Res,2013,41(Database issue): D11041114
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[4]Rappaport SM,Smith MTEpidemiologyEnvironment and disease risksScience,2010,330(6003):  460461
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[8]Walker CL,Ho SMDevelopmental reprogramming of cancer susceptibilityNat Rev Cancer,2012,12(7):  479486
[9]Gluckman PD,Hanson MALiving with the past: evolution,development and patterns of diseaseScience,2004,305(5691): 17331736