吸入氧化鋅納米顆粒（NPs）會造成神經(jīng)毒性，但其分子機(jī)制尚不清楚。本研究將大鼠分別暴露于氧化鋅及硫酸鋅，并通過影像學(xué)、轉(zhuǎn)錄-蛋白質(zhì)-代謝多組學(xué)揭示了氧化鋅暴露造成神經(jīng)毒性的分子機(jī)制，為安全設(shè)計氧化鋅納米顆粒提供了依據(jù)。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究團(tuán)隊在《Nano Today》（IF=16.907）雜志發(fā)表"Intranasal exposure to ZnO nanoparticles induces alterations incholinergic neurotransmission in rat brain"研究成果，其中蛋白組和代謝組由中科新生命完成。

實驗對象

ZnO暴露后的大鼠腦組織

實驗技術(shù)

多組學(xué)聯(lián)合分析（轉(zhuǎn)錄組+蛋白組+代謝組）

實驗路線圖

研究結(jié)果

（1） 對氧化鋅及硫酸鋅暴露后的大鼠檢測發(fā)現(xiàn)，鋅主要積累在海馬體中。X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）分析表明：海馬體中未發(fā)現(xiàn)ZnO顆粒，表明ZnO納米粒子在體內(nèi)發(fā)生了溶解和轉(zhuǎn)化，主要以鋅離子形式存在。 

圖1. 不同腦組織部分Zn含量分布（上圖）及X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）分析（下圖）

（2）對鋅暴露后的大鼠腦組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組+蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，乙酰膽堿合成、囊泡乙酰膽堿轉(zhuǎn)運體、乙酰膽堿水解酶等乙酰膽堿代謝轉(zhuǎn)運相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生明顯差異，揭示膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)在氧化鋅暴露神經(jīng)毒性中起到重要作用。

圖2. 氧化鋅及硫酸鋅暴露后的轉(zhuǎn)錄組（a,b,c,d,e）及蛋白質(zhì)組(h,i,j)表達(dá)變化及差異通路

（3）接著，作者進(jìn)一步利用靶向代謝組學(xué)技術(shù)檢測了膽堿相關(guān)代謝通路的代謝物變化情況，發(fā)現(xiàn)膽堿、乙酰膽堿濃度的確發(fā)生顯著差異。與此相關(guān)的糖酵解、TCA循環(huán)等能量代謝通路中大部分代謝物也發(fā)生顯著改變。進(jìn)一步證實了基因?qū)用鎸︿\暴露的響應(yīng)機(jī)制。

圖3. 鋅暴露條件下腦組織代謝物含量變化

（4）為了更深入剖析膽堿代謝相關(guān)分子功能的變化機(jī)制，作者檢測了乙酰膽堿水解酶（AChE）、丁酰膽堿酯酶等膽堿代謝相關(guān)酶活。發(fā)現(xiàn)乙酰膽堿水解酶在鋅暴露條件下活性被顯著抑制。通過體外實驗也證實，鋅離子會與AChE發(fā)生相互作用，改變蛋白二級結(jié)構(gòu)，從而改變蛋白酶活。

圖4. 鋅暴露條件下體內(nèi)/體外AChE酶活檢測及AChE蛋白結(jié)構(gòu)變化

小結(jié)

（1）本文通過一系列組學(xué)及影像學(xué)實驗，揭示了氧化鋅納米顆粒暴露造成神經(jīng)毒性的機(jī)制之一是經(jīng)由ZnO→Zn2+→AChE→膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)這一信號途徑實現(xiàn)。

（2）本文的組學(xué)實驗設(shè)計用到了轉(zhuǎn)錄組+蛋白質(zhì)組+代謝組三種組學(xué)技術(shù)，從不同信息維度共同指向聚焦到了膽堿代謝通路，為其后續(xù)的酶活、蛋白結(jié)構(gòu)功能驗證實驗指明了方向。