研究目的:单个重金属铅(Pb)、汞(Hg)和镉(Cd)暴露对神经认知功能障碍的作用已被广泛研究。人通常同时暴露于多种重金属混合物中,本人所在研究团队率先报道了低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露会产生新的不同于两种重金属的协同神经细胞毒性,并导致大鼠的神经行为功能障碍。然而,目前系统性探索Pb、Hg和Cd混合暴露诱导神经认知功能损害的生物标志物和机制的研究较少。近年来随着组学技术的高速发展,各种组学(基因组、转录组、蛋白组和代谢组)分析已被应用于外源化学物毒性效应和机制研究。单一组学通常仅反映外源化学物对生物体效应的某一个层面,如蛋白表达变化或代谢物含量改变等,而并不能系统全面地阐释外源化学物对生物体的毒性效应和作用途径。众所周知,蛋白质组学通过对差异蛋白富集进而“分配”给特定通路,而代谢组学则能显示出外源化学物作用生物体所发生的反应,综合代谢组学和蛋白质组学分析可以达到相互验证,提高分析结果可靠性的目的。因此,本研究建立低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露大鼠模型,分别利用代谢组学和蛋白质组学技术,研究低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露对血清代谢谱和大脑蛋白质谱的影响,进一步对代谢组学和蛋白质组学联合分析,揭示与低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露致神经毒性有关的功能改变和毒性机制,为全面解析重金属诱导神经毒性的分子机制提供依据。研究方法:(1)首先建立低剂量重金属Pb、Hg和CdImmunochromatographic assay混合暴露的大鼠模型,利用非靶向代谢组学技术,结合差异代谢物筛选、分类、定位预测、通路分析和受试者工作特征曲线(ROC)分析等多种分析方法,探讨低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露对动物血清代谢谱的影响。(2)采用TMT标记蛋白质组学技术,并结合差异蛋白分析、亚细胞定位预测、GO功能分析和KEGG通路分析等生物信息学分析方法,探讨低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露对动物脑组织蛋白质谱的影响。(3)基于代谢组学和蛋白质组学分析结果,利用“Pathview”工具对二者进行联合分析并将分析结果可视化,进一步对联合分析结果中所涉及的关键蛋白进行实验验证。研究结果:(1)代谢组学共检测出206个差异代谢物,与对照组比较,重金属混合暴露组有73个代谢物含量升高,133个代谢物含量降低;差异代谢物的分类主要是苯环化合物、有机杂环化合物、苯丙烷类和聚酮类化合物、脂类化合物、有机酸及其衍生物;差异代谢物定位预测显示表皮、前列腺、中枢神经系统、神经组织、海马为主要部位;差异代谢物通路分析显示低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露干扰了不饱和脂肪酸生物合成、亚油酸代谢、苯丙氨酸代谢、色氨酸代谢和酪氨酸代谢等通路;ROC分析显示花生四烯酸、肾上腺酸、二羟基-γ-亚麻酸、油酸、视黄酸、喹啉酸、犬尿酸的曲线下面积(AUC)分别为1.000、0.861、0.944、0.972、0.917、0.944、0.972。(2)蛋白组学分析共发现363个差异蛋白,与对照组比较,重金属混合暴露组有176个蛋白表达上调,187个蛋白表达下调;差异蛋白的主要分布在细胞质、细胞核、细胞外基质、线粒体和质膜上。GO功能富集结果显示,差异蛋白主要涉及细胞组成成分(例如细胞膜、细胞器、细胞连接和突触),细胞内生物过程(例如生物过程的调节、代谢过程、刺激反应和生物粘附)和分子功能(例如结合功能、催化活性功能和分子结构功能);KEGG通路富集分析显示,组间差异蛋白参与的信号通路主要包括actin细胞骨架调节、铁死亡、黏selleck着斑、轴突引导和癌症蛋白多糖等。(3)联合分析结果显示,铁死亡和色氨酸-犬尿氨酸通路同时与代谢组、蛋白组学密切相关,且这两条通路中存在多个蛋白或代谢物发生显著变化;进一步选取铁死亡和色氨酸-犬尿氨酸通路中的关键蛋白开展WB验证,结果显示,与对照组相比,重金属混合暴露组大鼠脑组织LPCAT3蛋白表达水平显著上调(P<0.05),SLC7A11和KYAT1蛋白表达水平显著下调(P<0.05),WB结果与联合分析结果基本一致。研究结论:铁死亡Ceralasertib IC50和色氨酸-犬尿氨酸通路的异常可能与低剂量Pb、Hg和Cd混合暴露所致的神经毒性有关,该发现为深入研究重金属神经毒性机制提供新思路和理论支持。