生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展_戴家银
第26卷第3期2006年3月生 态 学 报ACTA EC OLOGI CA SI NICA Vol .26,No .3Mar .,2006生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展
戴家银,王建设
(中国科学院动物研究所,北京 100080)
基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向性资助项目(KSCX2-SW -128)
收稿日期:2005-08-30;修订日期:2005-12-05
作者简介:戴家银(1965～),男,安徽怀宁人,博士,研究员,主要从事生态毒理学和生物化学研究.E -mail :daijy @ioz .ac .cn
Foundation item :The project was supported by the Innovation Project of Chines e Academy of Sciences (No .KSCX2-SW -128)
Received date :2005-08-30;Accepted date :2005-12-05
Biography :DAI Jia -Yin ,Ph .D .,Professor ,mainly engaged in ecotoxicology and biochemis try .E -mail :daijy @ioz .ac .cn
摘要:将基因组学和蛋白质组学知识整合到生态毒理学中形成了生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学。通过生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究能够在基因组和蛋白质组水平更深入理解毒物的作用机制,寻找更敏感、有效的生物标记物,形成潜在的强有力的生态风险评价工具。介绍了生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究进展,以及DNA 芯片技术和2D -凝胶电泳技术在持久性有毒污染物的生态毒理学研究中的应用。
关键词:生态毒理基因组学;生态毒理蛋白质组学;DNA 芯片技术;2D -凝胶电泳;持久性有机污染物
文章编号:1000-0933(2006)03-0930-05 中图分类号:X171 文献标识码:A
Progress in ecotoxicogenomics and ecotoxicoproteomics
DAI Jia -Yin ,WANG Jian -She
(Institut e of Zoology ,C hines e Acade my of Sci ence s ,Beijing 100080,C hina )..Acta Ecologica Sinica ,2006,26(3):
930～934.Abstract :Ec otoxicogeno mics and ecotoxic oproteo mics are integration of genomics and proteomics into ec otoxicology .Ecotoxic ogenomics is defined as the study of gene and pr otein expr ession in non -target organisms that is impor tant in responses to environmental toxicant exposures .Ecotoxic ogenomic toolsmay provide us with a better mechanistic understanding of ec otoxicology ,and they are likely to provide a vital r ole in ecological risk assessment .Pr ogress in ec otoxicogenomics and ecotoxicoprote omics are discussed in this paper .DNA gene c hip and 2D -gel usually used in ecotoxicogeno mics and ecotoxicoproteomics ar e also e xpounded by exa mples .
Key words :ec otoxicogeno mics ;ecotoxic oproteo mics ;D NA micr oarra y ;2D -gel ;persistent organic pollutants
随着生态学和环境科学的深入发展,生态毒理学已成为生态学和环境科学前沿研究领域,正从基因、蛋白质、器官和整体水平深入开展研究工作。
在人类基因组计划实施的短短几年间,以“组学(-omics )”构成的学科及其相关研究如雨后春笋般在生命科学界迅速蔓延、蓬勃发展。在环境科学领域中也出现了环境基因组学(environmental genomics )、毒理基因组学(toxicogenomics )等学科。Snape 等人[1～3]将基因组学知识整合到生态毒理学中,于2004年提出了“生态毒理基因组学(ecotoxicogenomics )”的概念,通过生态毒理基因组学研究确认一系列毒物效应基因,从而在基因组水平更深入理解毒物的作用机制,并在基因和蛋白质水平寻找更敏感、有效的生物标记物(biomarkers ),形成潜在的强有力的生态风险评价工具。
持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants ,POPs )是指能持久存在于环境中、通过食物链蓄积、逐级传递,经直接或间接途径进入人体的化学物质。POPs 具有致癌、致畸、致突变性、内分泌干扰等毒作用。POPs 对人体健康和生态环境带来的危害受到全社会的普遍关注,引起世界各国的决策者和科学家的高度重视,也成为环境科学和生态毒理学研究的热点课题之一[4,5]。我国已于2001年5月签署了控制12种P OPs 对人类健康
和环境造成威胁的国际公约《斯德哥尔摩公约》。目前我国履行该国际公约面临着巨大的挑战,缺乏POPs 这类污染物的第一手资料,有关该类污染物对自然环境、生态系统和人类健康影响的基础研究薄弱[6,7]。同时,
一些未包括在公约12种POPs 之内的新的持久性有机污染物也引起各国科学家的注意,如阻燃剂多溴联苯醚(PBDEs ),全氟辛酸胺(PFOS )等,它们在生物体内的累积及其毒理研究也已成为迫切需要开展的工作[8,9]。
本文重点介绍了DNA 芯片技术和2D -凝胶电泳技术在持久性有机污染物的生态毒理研究中的应用。阐述了生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究进展,以期进一步提升我国生态毒理学研究水平。1 生态毒理基因组学研究进展
基因芯片(gene chip ),又称DNA 微阵列(microarray ),是由大量DNA 或寡核苷酸探针密集排列所形成的探针阵列,待检测样本的核酸序列可根据碱基互补配对的原理与芯片上相应探针分子结合。经过标记的两等量不同RNA 样本同时与DNA 阵列杂交,可高通量、迅捷精确的比较两样本基因表达谱的差异。利用DNA 微阵列技术,一个单一的毒理基因组分析就可能产生成千上万个数据。通过检测哪些基因受到特殊化学污染物的影响,寻找同污染物密切相关的基因,用于研究污染物的毒作用机制。通过分析不同污染物暴露的基因表达谱特征,确定不同污染物暴露的生物标志物,可实现对污染物毒性的早期预警。通过比较新化学物和已知污染物暴露基因表达谱的变化,可在新化合物研发阶段比传统方法更早地了解该化学物的毒理以及潜在的副作用。通过研究不同有毒污染物暴露所致特征性基因表达谱的改变(应答“指纹”),可快速确定环境污染物的性质并对其分类。结合生物信息学可开发具有同各类污染物相关基因的新一代小型检测芯片,如“环境激素”芯片,用于检测专一性环境激素对生物的影响;“有毒污染物”芯片,专一检测水体中持久性有机污染物以及饮用水加氯消毒产生的痕量有毒物质。
Forrest 等人应用基因芯片技术和实时聚合酶链反应(RT -PCR )技术,在职业性接触苯的工人中检测了苯接触对外周血单核细胞基因表达的影响。结果显示,CXCL16、ZNF331、JUN 和PF4等基因的表达发生特异性改变,这些基因可作为苯接触的潜在的生物标志物,为利用生物芯片技术检测苯暴露提供了重要信息
[10]。Wang 等人用全血总RNA 分析了锅炉制造工人职业接触金属烟雾前后的基因表达。由于接触微粒而引起表达改变的基因与炎症反应、氧化应激、胞内信号转导、细胞周期和细胞凋亡密切相关[11]。
双氯醋酸(Dichloroacetic acid ,DC A )是自来水加氯消毒的副产物,能引起啮齿类动物的肝细胞癌变。2003年,Thai 运用DNA 芯片技术对DCA 的致癌作用进行了研究。基因表达谱分析显示24个基因表达改变,其中15个基因进一步经Northern 印迹证实。在15个基因中,14个基因表达明显下调,包括细胞色素P4502C29(CYP 2C29)、CYP3A11、肝羧酸脂酶等。另一个基因CYP2A4 5表达上调。相应研究为快速分析水环境中微量有机物的毒性提供新的途径
[12]。日本学者Azumi 利用海鞘DNA 芯片,分析比较海鞘基因表达谱变化,据此推测海鞘暴露何种污染物并用来监测环境污染程度[13]。该技术在环境保护和环境监测领域中具有广阔的应用前景。Taroncher -Oldenburg 等
应用70mer 的寡核苷酸芯片监测并量化环境氮循环中的功能基因多样性
[14]。
2 生态毒理蛋白质组学的研究进展基因芯片技术对于揭示有毒污染物诱导的基因表达谱变化具有十分的重要意义。但是在多数情况下,mR NA 与蛋白质的关系在结构上和动力学上是高度非线性的,mR NA 表达分析不能有效地预测有毒污染物与蛋白质的作用。生态毒理蛋白质组学是从整体的蛋白质水平上,探讨生物在同毒物接触或环境胁迫下,细胞蛋白质的存在及其活动方式(蛋白质谱)的变化。2D -凝胶电泳技术将蛋白质混合物在二维平面上充分展开,而基质辅助激光解析飞行时间质谱(MALDI -TOF )和生物信息学相结合用于确定感兴趣蛋白斑点的性质特征,是目前蛋白质组学研究中最常用的方法。将蛋白质组学的相关技术应用到生态毒理学中,可在蛋白质水平上认识外源性化学物的毒作用及其机制。同时,与基因表达谱相类似,有毒污染物及其浓度变化所致细胞蛋白质谱改变的“指纹特征”,可作为有效表征污染物暴露的生物学标记物(图1)。虹鳟暴露壬基酚、地亚农(diazinon )和烯虫磷(propetamphos )3种污染物,以及污水厂排放口和排放口上游
9313期戴家银 等:生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展
图1 蛋白质谱的“指纹”特征Fig .1 Illus tration of protein expressi on signature (PES )
参考点,21d 后取样分析腮的蛋白质谱变化。结果显示
虹鳟暴露三种污染物后腮蛋白质谱中10%～30%蛋白
质出现在污水厂排放口暴露的蛋白质谱中。结果为混
合污染暴露监测提供了可能①。
Shrader 研究了斑马鱼胚胎在不同种类(雌二醇和
壬基酚)和浓度(1.0mg L 和0.1mg L )内分泌干扰物暴
露时的蛋白质谱变化[15]。如图2A 所示,1.0mg L 的雌
二醇暴露引起9+31种蛋白质被抑制,诱导产生27+23
种新的蛋白质,其中36(27+9)种蛋白质是专一性的诱
导和抑制;而1.0mg L 的壬基酚暴露导致14+31种蛋
白质被抑制,诱导产生32+23种新的蛋白质;46(32+
14)种蛋白质属于专一性的诱导和抑制。对比图2A 和
2B ,可见不同浓度雌二醇和壬基酚暴露的蛋白表达谱
明显不同。作者发现在雌二醇和壬基酚暴露诱导产生
的蛋白质中,1.0mg L 条件下28%的蛋白质是相同的,
而在0.1mg L 条件下只有7%的蛋白质是相同的,说明
图2 斑马鱼胚胎内分泌干扰物暴露时蛋白质谱变化[15]Fig .2 Venn diagrams of features from images of expos ed z ebrafish embryos .Each ring contains all of the features from the indicated treat ment .Features that are shared by t wo or more treatments are indicated in the overlapping areas .(A )1.0mg L 处理浓度;(A )1.0mg L treatment dose .(B )0.1mg L 处理浓度;(B )0.1mg L treat ment dos e .两种化合物的反应路径不同。
3 生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学近期的研
究目标
基于基因芯片的表达谱技术具有高通量、特异性强
等特点,在生命科学领域已呈现出广阔的应用前景。随
着研究的不断深入和技术的日臻完善,基因芯片和2D -
凝胶电泳技术将对环境保护和监测、环境污染控制等研
究起到巨大的推动作用,使人类对化学物暴露和环境健
康之间的关系产生全新的认识。以持久性有机污染物
为例,近期内利用该类技术可以开展如下研究。
3.1 在分子水平寻找人类及动物暴露的生物标志物
生物对污染物暴露或环境胁迫具有独特的反应,不
同化学物诱导的基因和蛋白质表达方式的细微差别体现了化学物专一暴露的特征。采用基因芯片技术和2D -凝胶电泳技术研究持久性有机污染物暴露所致特征性基因表达谱及蛋白质谱的改变,以这些特征性改变为生物标志物,可判断生物体生存环境的变化。现阶段由于不了解污染物作用的早期反映及真正靶位,难以对污染物的环境影响作出准确的预测或早期警报,而以特定污染物所致生物体表达谱的改变作为其专一暴露的生物标记物,能更敏感、更准确的实现对持久性有机污染物的早期预警。应用生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究同一生物对不同类型污染物、不同生物对相同或相似污染物的表达谱的专一性,以及生物毒性随时间变化的差异性等,最终可实现根据应答“指纹”快速、准确确定持久性有机污染物性质的目标。应用生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学比较对照样本和有毒物质暴露所致模式生物基因表达谱和蛋白质谱改变,可预测新P OPs 的毒性,并对其毒性进行分类。
3.2 通过基因表达谱(网络)来表征持久性有机污染物的毒作用机制
在基因转录和蛋白质水平上的表达谱改变反应了污染物暴露和环境胁迫所致生物体生理、生化代谢的变932 生 态 学 报26卷①数据来自:http : depts .washington .edu irarc
化,构成了污染物暴露和环境胁迫所致毒作用的分子基础。基因芯片技术和2D -凝胶电泳技术所表征的特定时空点表达谱网络改变为研究污染物发挥毒作用的整个动态过程提供重要参照信息。
3.3 研究复合污染暴露的毒性效应
在现实环境中往往不是仅一种污染物独立存在,而是多种污染物共同或协同发挥作用。应用生态毒理基因组学的技术,发挥高通量、高覆盖率芯片技术的特点,在对单一POPs 暴露表达谱变化及毒性效应充分认识的基础上,开展复合污染的联合毒性效应及分子机制方面的研究,实现对复合污染的联合毒性效应评价。
3.4 建设基于生态毒理基因表达谱的公共数据库,实现信息共享与交换
微阵列一次性地可在成百上千个基因上获得有研究价值的数据。并且随着芯片技术的快速发展,获取数据的质量得到了很大的改善。进一步通过解决微阵列巨大的数据总量和限定可用数据量之间的矛盾,实现在不同的微阵列、实验室信息管理系统、数据库和分析软件之间的数据交换,开发微阵列基因表达标识语言(简称MAGE -ML ),建立微阵列数据公共信息库。
4 生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究存在的问题及发展趋势
4.1 生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究存在的问题
基于DNA 芯片和2D -凝胶电泳技术的生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究具有广阔的发展前景,但这类检测技术的特异性、重复性、标准化等问题亟待解决。
4.1.1 如何克服基因型、表型和环境因素对基因表达谱的影响 在理想状态下,以非暴露组为对照,污染物诱导的基因表达直接映射了暴露组生物生理、生化路径的变化。但基因表达是一个动态、复杂的过程,表型的可塑性、基因型的多样性及环境因子都直接影响到基因的表达。另外,受试生物的生理因素如年龄、性别和营养状况对基因表达也具有调节作用。目前,在毒理基因组学实验中采用标准模式生物来减少遗传差异性的影响,但未能控制表型和污染物暴露的环境条件对基因表达的影响。由于非暴露组个体基因的表达受上述因素的影响,因此难以界定非暴露组的“正常”反应。通过加大对照组样品数量来减少个体差异,通过芯片分析软件的改进,以及寻找对照组基因表达趋势作为“正常”反应等方法可望对这类实验偏差实现有效控制[16]。
4.1.2 能否基于同源基因表达谱的变化来进行毒性推理 同源基因的核酸序列具有较高的相似性,编码具有相同或相似功能的蛋白质,而且物种亲缘关系越近,相似性就越高。但物种间的基因表达和调控网络存在较大的差异,不同的基因可编码相同或相近功能的蛋白,相同基因亦可编码不同功能的蛋白(如异构重整酶),因此应当慎重对待基于同源基因表达谱的实验结论在不同物种之间的推理。尤其是对基因序列、细胞代谢路径、结构功能各方面信息了解甚少的非模式生物,必须要有其它毒性实验来验证。
4.2 生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学发展趋势
随着分子生物学理论和方法在毒理学研究中的应用,使外源性化学物的毒性评价发展到体外细胞、分子水平的毒性测试与动物毒性试验相结合的新模式。
4.2.1 大量新技术和新方法的应用将使生态毒理学研究水平更加深入 应用常规的生态毒理学方法研究外源性化学物的毒性,费用高,耗时长,难以获得足够的毒理学信息。要想对众多的外源性化学物的毒性有一个合理评价,就应该建立新的毒理学研究方法。这些新方法应该符合以下标准:减少动物用量;缩短试验周期;研究化学物在环境中的实际浓度;充分利用统计或数学模型等。
DNA 芯片可同时测定数以千计的基因表达,通过基因表达谱的变化,为环境污染物的毒性研究提供全新的线索。寻找污染物的靶基因及受靶基因调控的基因,通过基因功能分析,深入理解污染物的作用机制。研究不同层次的多基因协同作用的生命过程,发现新的基因功能,研究生物体在环境胁迫下遗传、发育过程中的规律。DNA 芯片还可用来检测单核苷酸多态性(SNP ),深入研究遗传因素对环境污染物的影响和不同的基因型个体对污染物的反应差异。基于NMR 技术的代谢组学(metabolomics )可以研究环境污染物的生物降解、转化过程以及中间产物的形成,特定污染物的代谢图谱可以作为毒物代谢的生物标记物[17]。如:用NMR 分析尿中的代谢产物,可以确定作为毒性反应生物标记物的代谢变化模式,特异的DNA 和蛋白质加合物用于有效9333期戴家银 等:生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展
暴露的生物标记。另外,随机扩增多态DNA (R APD ),可变数串联重复(VNTR ),示差逆转录(DDRT )等技术在检测定位突变方面具有广阔的发展前途。
4.2.2 微观与宏观方法相结合来评价有毒污染物的毒性将是一个重要趋势 分子、细胞、个体、种群、群落直至整个生态系统是一个有机联系的整体。在不同结构和功能层次上阐述污染效应对生态毒理学的环境解释能力是不同的。从细胞到分子水平是生态毒理学微观技术发展的必然趋势。但仅从基因和蛋白质水平上研究外源性化学物的毒性及其机制是不够的。只有通过将细胞、分子水平的研究与整体、种群等各不同层次的研究结合起来才能正确评价污染物的毒性效应。
5 结论
生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究将生态学、环境化学、环境生物学等多学科有机地结合起来,从基因和蛋白质水平上深入研究污染物的毒作用及其机制,呈现了广阔的应用前景。随着研究的不断深入和技术的日趋完善,生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学在污染物的环境风险评价中必将发挥越来越重要的作用。
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发现毒理学的研究进展
*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)基金(2002AA2Z342D 和2004A A2Z3774) 综 述 发现毒理学的研究进展 * 王全军,吴纯启,廖明阳 (军事医学科学院毒物药物研究所,国家北京药物安全评价研究中心,北京100850) [摘要] 发现毒理学又称为开发前毒理学(Predevelopmental Toxicology),是指在创新药物的研发早期,对所合成的系列新化合物实体(New Chemical Entities,NCEs)进行毒性筛选,以发现和淘汰因毒性问题而不适于继续研发的化合物,指导合成更安全的同类化合物。发现毒理学的研究既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的定义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简述。 [关键词] 发现毒理学;新化合物实体(NCEs);毒性筛选 [中图分类号]R994 1;R965 1 [文献标识码]A [文章编号]1003-3734(2005)08-0958-04 Progresses of discovery toxicology research W ANG Quan jun,W U Chun qi,LI AO Ming yang (Institute o f Pharmacology and To xicology ,Academ y o f Military Medical Sciences ,National Beijing Center f o r Drug Sa fety Evaluation and Research ,Beijing 100850,China )[Abstract ] Discovery toxicology,also named predevelopmental toxicology,is to screen toxicities of new che mical entities (NCEs)in the discovery phase of ne w drug research,to discover and eliminate the compounds that are unsuitable for further development due to their toxicity as early as possible,and to optimize the next more safe compounds.Discovery toxicology research can break through the limitation and improve the efficiency of drug research.This article will present the concept of discovery toxicology,the essentiality of discovery toxicology research.The content,methods and current status of discovery toxicology in China are described too. [Key words ] discovery toxicology;new chemical entities(NCEs);toxicity screening 药物研发成功与否部分取决于在研发早期严格淘汰不适合进一步研发的化合物。在药物临床前阶段,毒性问题是研发失败的主要原因。在研发早期尽早发现候选化合物的潜在毒性是毒理学研究的重要问题。 多年来,新药研发越来越多地依赖于生命科学技术的研究进展。在新药设计方面,化学家参考药物作用靶、内源性配体和底物的化学结构特征,应用计算机辅助药物设计手段发现选择性作用于靶位的新药;在新药活性筛选方面,现代药物组合化学与体外高通量筛选的成功结合极大地提高了先导化合物的发现速度;在新药的药动学(ADME)研究方面,多种基于药物代谢酶或转运体的药动学筛选模型已开始应用于新药开发研究。这些新技术的成功运用大 大加快了药物研发早期的药物发现、药物合成、药效筛选的进程,从而产生大量的候选化合物。传统药物毒理学研究在时间、经费、样品消耗量和动物数等方面都花费巨大,在药物毒作用机制研究方面难以阐明一些临床使用药物的毒性机制和理想的应急解毒措施,因此传统药物毒理学无法满足因新的生物技术而产生的海量候选化合物的毒性筛选研究,成为限制整个药物研发的瓶颈。而发现毒理学(Discovery Toxicology)的研究将打破这个瓶颈,既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的含义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简要综述。1 定义、产生背景和产生的必要性 伴随着科学技术的发展,当代毒理学的发展将 958
微生物基因组研究进展及意义
微生物基因组研究进展及其意义 近年来，病原微生物的基因组研究取得了飞速的进展。所谓基因组研究是指对微生物的全基因进行核苷酸测序，在了解全基因的结构基础上，研究各个基因单独或数个基因间相互作用的功能。由于过去人们大多从表型分析入手，寻找已知功能的编码基因，实际只了解微生物中极少数的基因，如链球菌的链激酶基因、结核杆菌编码的热休克蛋白基因等。还有大量未知基因未被发现。通过基因组研究，则从根本上揭示了微生物的全部基因，不仅可发现新的基因，还可发现新的基因间相互作用、新的调控因子等。这一研究将使人类从更高层次上掌握病原微生物的致病机制及其规律，从而得以发展新的诊断、预防及治疗微生物感染的制剂、疫苗及药品。此外，新发现的微生物酶及蛋白还可能有在工农业生产上的应用价值。因此，全球除已完成了70余株覆盖重要病毒科的病毒代表株全基因组研究外，据美国基因组研究所（The Institute for Genomic Research, TIGR）报道，目前已完成了19种微生物基因组测序，其中11种与人类及疾病相关（嗜血流感杆菌，生殖道支原体，肺炎支原体，幽门螺杆菌，枯草杆菌，伯氏疏螺旋体，结核杆菌，梅毒螺旋体，沙眼衣原体，普氏立克次体）。另外，还有40余种微生物已被登记正在进行测序，预计在1999～2000年完成〔1〕。 病毒基因组研究进展 病毒因其基因组小，是进行基因组研究最早的生物体。早在1977 年已完成了噬菌体DNA的全基因测序。存在于脊髓灰质炎疫苗中的SV40，是最早完成全基因测序的与疾病相关的病毒；此后，许多病毒均已完成了全基因测序，并根据序列的开放阅读框架（ORF）对编码蛋白进行了推导。已对相当一些病毒蛋白进行了重组表达，还对一些病毒基因编码的调控序列进行了研究。除一般大小的病毒已完成了基因组测序，对大基因组病毒，疱疹病毒科，如水痘病毒基因组为0.125Mb(Mega-basepair,兆碱基对)〔2〕。巨细胞病毒，基因组为0.229Mb〔3〕。我国已对痘苗病毒天坛株（约0.2Mb）进行了全基因测序，发现与国外的痘苗毒株序列有明显的差异〔4〕。我国还对甲、乙、丙、丁、戊、庚型肝炎病毒进行了国内毒株的全基因测序。近来还对国内2株发现的虫媒病毒毒株完成了全基因测序。我国从不同来源的标本中发现了不少乙肝病毒变异株，有的具有特殊的生物学特性〔5〕。对病毒基因中调控因子的分析，发现了与乙肝病毒增强子作用的新细胞核因子〔6〕。 因此，目前对病毒的基因组研究已进入了后基因组阶段，即从全基因水平研究病毒的生物学功能，同时发现新的基因功能。对于医学病毒学当前主要方向是研究病毒基因组中与致病及诱生免疫应答相关的基因，从而揭示和解决迄今尚未解决的问题，以达到控制或消灭一些重要病毒感染的目的。 建议目前可进行后基因组研究的领域为： 1．病毒持续性感染：基因组中与持续性感染相关的基因，基因变异或调控因子研究。已报道的乙肝病毒的前核心基因出现终止密码突变，
环境基因组学的研究进展及其应用
环境基因组学的研究进展及其应用 贾海鹰 张徐祥 孙石磊 赵大勇 程树培* （南京大学，环境学院，南京，210093） E-mail（jhy194@https://www.360docs.net/doc/6f12300729.html,） 摘 要：本文系统地介绍了环境基因组学的基本概念、研究的主流技术平台及其在环境污染控制、健康风险检测与评价等方面地应用，并阐明了环境基因组学与生物信息学两者之间的关系。环境基因组学在分子水平上揭示了环境污染物与生物之间的相互作用，为检测、控制环境污染维护环境健康注入了新的活力。 关键词：环境基因组学 生物信息学 健康风险评价 环境污染 环境健康 1.引言 2003年4月14日，人类基因组计划(Human Genome Project)顺利完成。HGP成功地绘制出了遗传图谱、物理图谱、序列图谱和转录图谱4张图谱。这标志着人类基因组计划的所有目标全部实现。至此，HGP的研究发生了翻天覆地的变化，已从结构基因组学研究时代进入了功能基因组（后基因组）时代[1-2]，因此也就有了“人类后基因组计划”。HGP正朝着生物信息科学、计算机生物技术、数据处理、知识产权及社会伦理学研究等多方面发展，对生命科学、环境科学、医疗卫生、食品制药、人文科学各领域产生了广泛而深远的影响。环境基因组学（environmental genomics）是在人类基因组基础上发展的功能基因组内容之一，由基因组学和环境科学交叉融合而成，是一个近期发展起来的新型边缘学科，是基因组学技术和成果在环境污染保护与控制和生态风险评价中的应用，在其发展的短短的几年时间内已渗透到环境科学研究的各个研究领域并发挥着日益重要的作用。 2.环境基因组学的概念与定义 至今，国内外学者对环境基因组学还没有统一明确的定义。但是，大多数学者认为，环境基因组学（environmental genomics）的概念与毒理基因组学（toxicogenomics）密切相关。自从1999年Nuwaysir等[3]首次提出毒理基因组学概念至今，在短短的八年的时间里这一概念不断地发展和完善着。目前人们普遍采纳的定义有两种，一种是美国国家毒理学规划机构给出的定义[3]：毒物基因组学是研究外来化学物对基因活性和基因产物的影响及相互作用的科学；另一种是由世界卫生组织给出的定义[3]，认为毒物基因组学是一门与遗传学、基因组水平上RNA表达(转录组学) 、细胞和组织范围的蛋白表达(蛋白质组学)、代谢谱(代谢组学) 、生物信息学和常规毒理学结合，以阐明化学物作用模式和基因－环境相互作用的潜在意义的科学。1998年4月4日，美国国会顾问环境卫生科学委员会正式投资专项基金进行环境基因组计划研究，其目的是专门研究与环境相关疾病的遗传易感性，寻找对化学损伤易感的基因，鉴定对环境发生反应基因中有重要功能的多态性，并确定它们在环境暴露引起疾病的危险度方面的差异；在疾病流行病学中研究基因与环境的相互作用，从而改善遗传分析技术，优化研究设计，建立样品资源库，把公用的多态性应用于社会、法律和伦理学[4-7]。2001年，Miller 提出环境基因组（Environmental Genomics）是在人类基因组（HGP）基础上发展起来的后 - 1 -
狂犬病病毒的基因分型及其分子流行病学研究进展
文章编号:1002-2694(2006)03-0271-03 狂犬病病毒的基因分型及其分子流行病学研究进展 张建明1,2,严延生2 中图分类号:R37319 文献标识码:A 狂犬病(Rabies)是由狂犬病病毒(rabies virus,RV)引起的人和所有哺乳动物的急性致死性中枢神经系统的自然疫源性疾病。人狂犬病的临床特征是恐水、怕风、咽肌痉挛和进行性麻痹等,尤以恐水症状为突出,一旦发病,死亡率几乎达100%〔1〕。狂犬病是全球性的严重公共卫生问题,近些年来,随着宠物增多又缺乏相对有效的管理控制措施,狂犬病的发病又呈现上升趋势,在分子水平上进行狂犬病病毒流行病学研究对于阐明病毒的毒力变异和抗原飘移、了解病毒的宿主特异性和病毒系统发育的时空进程,以便更好地控制狂犬病都具有重要意义,本文就狂犬病病毒的基因分型及其分子流行病学研究进展作一综述。 1 狂犬病病毒的基因组结构和分型 111 基因结构 狂犬病病毒的基因组为单股负链不分节段的RNA,全长约12kb(11215kb)。由基因组的3’端至5’端依次排列着N、NS、M、G、L5个结构基因,各基因的序列长度分别为1424、991、805、1675和6475个核苷酸,它们分别编码核蛋白(N)、磷蛋白(P)、基质蛋白(M)、糖蛋白(G)和大蛋白(P或RNA依赖的RNA转录酶蛋白)。每个基因均由3’端非编码区、编码区和5’端非编码区三部分组成。在N 基因前有1个50个核苷酸的先导序列,在L基因后有约70个核苷酸的非翻译区。在N2NS、NS2M、M2G和G2L基因间分别有2、5、5和423个核苷酸的间隔序列,G2L基因间的423核苷酸间隔序列是一个伪基因。 112 基因分型 狂犬病病毒的N蛋白基因相对恒定,点突变较少,而且与病毒的型别有关,可以作为群变异的指标〔2〕。1993年Bourhy等〔3〕通过测定狂犬病病毒属中具有代表性的病毒分离物N基因的序列,将狂犬病原区分为6个基因型:基因型1(狂犬病病毒,RABV)、基因型2(拉各斯蝙蝠病毒,LBV)、基因型3(莫科拉病毒,MO KV)、基因型4(杜文海洛病毒,DUVV)、基因型5(欧洲蝙蝠狂犬病病毒1,EBLV2 2)、基因型6(欧洲蝙蝠狂犬病病毒2,EBLV22)。1998年Skerratt等〔4〕从澳大利亚的蝙蝠中分离出狂犬病病毒的基因型7(澳大利亚蝙蝠狂犬病病毒,ABLV)。2001年de Mattos 等〔5〕对狂犬病病毒基因分型进行比较研究,根据N基因核苷酸序列的同源性绘制了狂犬病病毒属成员间的种系发生关系图,属内成员N蛋白序列的同源性由78%(MO KV和EBLV22)至93%(DUVV和EBLV21),基因型和早先根据抗原性划分的血清型基本一致。7个基因型又可分为2个进化组:第一组包括基因型1、4、5、6和7;第二组含基因型2和3。同组内1种病毒的抗体与其他病毒可产生交叉反应,不同组的病毒之间不能产生交叉免疫保护。非洲的DUVV和EBLV21亲缘关系较近,而LBV和MO KV在系统发育上则和RABV亲缘关系较远。ABLV与古典的RABV亲缘关系最密切。在基因型内还可分辨出各个不同的病毒聚簇,这些聚簇反映了病毒间历史的地理的或宿主种别的关系。 2 狂犬病的分子流行病学研究 211 流行现状 狂犬病呈全球性分布,只有南极洲和少数岛国(日本、挪威、冰岛、芬兰、瑞典、英国、马来西亚、新加坡、新西兰等)无狂犬病发生。亚洲是狂犬病高发地区,估计每年有近40000人死于狂犬病,约占全球因犬伤死亡的90%〔6〕。亚洲狂犬病发病率以印度为最高,中国、菲律宾、孟加拉、巴斯基坦、越南、泰国等也相当高〔7〕。非洲普遍存在狂犬病且大面积流行,病原型别复杂,感染来源更复杂,最早发现的狂犬病病毒的4个血清型中有3个存在于非洲,除家犬、猫外,非洲南部至少有30种属于5个科的肉食动物被确诊患狂犬病。欧洲由于实行针对狐狸的口服免疫策略〔8〕,近10年来,动物狂犬病已明显下降,其流行病学也发生了改变,西欧国家采取了对犬进行免疫,同时对犬进行严格管理,已基本上控制或消灭了人、畜狂犬病。狂犬病在中、南美洲长期以来一直是严重的公共卫生和经济问题,其中阿根廷、玻利维亚、巴西、哥伦比亚、厄瓜多尔、危地马拉、洪都拉斯等国疫情较重。北美洲狂犬病呈地区性流行,以野生动物为主,自1996年以来,狂犬病发病率一直保持下降趋势,但蝙蝠作为传染源引起的人狂犬病无下降趋势〔9〕。澳大利亚原本是一个无狂犬病的国家,1998年Skerratt等〔4〕从果蝠中分离出澳大利亚蝙蝠狂犬病病毒,引起了公众的注意。 212 分子流行病研究方法 Rupprecht C等〔10〕通过单克隆抗体检测狂犬病病毒的抗原变异,证明了来自世界各地不同病毒分离物间存在许多差异。但是,单纯血清型或抗原型并不能鉴定狂犬病病毒的来源和迁移,在分子流行病学的研究中受到一定的限制。Ermine A等〔11〕把放射性标记的核酸探针杂交方法用于检测狂犬病病毒基因组,但此法只能用于检测受严重感染的组织中的狂犬病病毒基因组。近年来狂犬病的分子流行病学研究方法不断完善,Bourhy HB等〔12〕证实利用RT2PCR及基因测序的分子流行病研究在病毒的分类及病毒株来源的鉴别上是一个很有用的工具。许多学者是根据N基因的特点———高度保守和高效表达,先用RT2 PCR方法扩增N基因片段,然后再进行基因序列测定,对狂犬病病毒进行病毒检测、基因分型和系统发育分析,从而进 通讯作者:严延生 作者单位:1.福建医科大学,福州 350004; 21福建省疾病预防控制中心,福州 350001
系统毒理学及其研究进展
系统毒理学及其研究进展 在总结国内外相关研究的基础上，综述了系统毒理学的原理、诞生背景、研究策略、研究基础及其主要应用。同时，通过介绍系统毒理学的研究实例来阐述其目前的研究进展情况。希望从分子生物学的发展中汲取足够营养并结合传统毒理学的研究成果发展壮大自己。 【Abstract】Based on the foundation of related research at home and abroad，paper summarizes the principle and research strategy，research background，basis and main application of system toxicology. At the same time，to explain its current status a case study of the system is introduced. And we hope to draw sufficient toxicological nutrition from the development of molecular biology and development itself combined with the research of traditional toxicology . 标签：背景；技术；应用；进展 1 系统毒理学及其诞生背景 系统毒理学是近10年来发展起来的一门新兴学科，代表着后基因组时代毒理学发展的新方向。所谓系统毒理学是指通过了解机体暴露后在不同剂量、不同时点的基因表达谱、蛋白质谱和代谢物谱的改变以及传统毒理学的研究参数，借助生物信息学和计算毒理学技术對其进行整合，从而系统地研究外源性化学物和环境应激等与机体相互作用的一门学科[1]。 近年来，生命科学在新理论和新技术上有了突飞猛进的发展，一系列“组学”（omics）应运而生，如基因组学（genomics）、蛋白质组学（proteomics）、细胞组学（cellomics或cytomics），等新学科不断涌现，使人们对基因和基因组的认识，对生命本质的认识和认识生命、健康的手段取得了重要的进展。 另外，传统的毒理学研究依然存在许多不足，相对于飞速发展的分子生物学技术和越来越多的外源性物质，毒理学的研究方法急待革新。 系统毒理学的发展，既有系统生物学发展的外在刺激，又有传统毒理学在发展中克服自身不足的内在需求。 2 生物学基础 2.1 基因组学 基因组学是研究基因组的结构、功能及表达产物的学科。基因组的产物不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的RNA。将基因组学的方法与技术应用于毒理学研究领域，称之为毒物基因组学（toxicogenomics）。毒物基因组学的基本方法是通过观察生物在接触毒物后基因表达谱的变化，筛选毒性相关基因、揭示毒作用
蛋白质组学及其在兽医学中的应用
动物医学进展,2008,29(2):76278 Progress in Veterinary Medicine 蛋白质组学及其在兽医学中的应用 张爱玲1,王兴龙23 (1.吉林大学畜牧兽医学院,吉林长春130062;2.军事医学科学院军事兽医研究所,吉林长春130062) 摘 要:蛋白质组学以蛋白质组为研究对象,从整体上对生命载体进行研究,已成为后基因组时代的研究热点。目前,蛋白质组学技术主要包括双向凝胶电泳、生物质谱及生物信息学。双向凝胶电泳根据蛋白质的等电点和分子质量分离蛋白质,而质谱技术已成为鉴定蛋白质的极为灵敏而迅速的工具。由此得到的肽质量图谱结合准确全面的数据库技术,就使得新的蛋白质或多肽得以鉴定。近年来,蛋白质组研究技术已应用到多种生命科学领域中,在兽医学研究领域中尤其是兽药开发方面也将会有很广阔的应用前景。 关键词:蛋白质组学;兽医学;双向凝胶电泳;质谱 中图分类号:S852.21文献标识码:A文章编号:100725038(2008)022******* 后基因组时代研究重心已开始从揭示生命的所有遗传信息,转移到在整体水平上对生物功能的研究,于是产生了功能基因组学。这一新学科从基因组整体水平上对基因的活动规律进行阐述,如在mRNA水平上通过DNA芯片技术检测生物基因的表达模式,其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实上并不完全如此,从DNA2mRNA2蛋白质,存在3个层次的调控,即转录水平调控、翻译水平调控及翻译后修饰水平调控。从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,不能全面代表蛋白质的表达水平。蛋白质特有的活动规律如蛋白质的修饰加工、转运定位、结构变化、蛋白质与蛋白质及其他生物大分子之间的相互作用等均无法从基因组水平上的研究来获知。因此,对生物功能的主要体现者和执行者———蛋白质的表达模式和功能模式的研究就成为生命科学发展的必然。蛋白质组学研究现已成为生命科学研究领域最活跃的学科之一[123]。 1 蛋白质组与蛋白质组学的概念 1994年,澳大利亚Wilkins等首先提出了蛋白质组的概念[4]。蛋白质组指由一个基因组或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。它是对应于一个基因组的所有蛋白质构成的整体,而不是局限于一个或几个蛋白质。由于同一基因组在不同细胞、不同组织的表达情况各不相同,即使是同一细胞,在不同的发育阶段和不同的生理条件甚至不同的环境影响下,其蛋白质的存在状态也不尽相同。因此,蛋白质组是一个在空间和时间上动态变化着的整体。 蛋白质组学是指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴学科,其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成分,表达水平与修饰状态,了解蛋白质之间的相互作用与联系,提示蛋白质的功能与细胞的活动规律,就像基因组学一样,不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系,而是一个领域。蛋白质组学集中于动态描述基因调节,测定基因表达的蛋白质水平,鉴定疾病、药物对生命过程的机制,解释基因的调控[5]。 2 蛋白质组学研究现状 国外大部分蛋白质组表达谱的研究论文发表于2000年下半年以后,且大多数建立在已完成基因表达谱的基础上,表明在基因组或转录组基础上开展蛋白质组表达谱的研究是一个新的方向。人类重大疾病的蛋白组研究通常采用比较蛋白组分析方法。近年来,蛋白质组技术在研究细胞的增殖、分化、异常转化、肿瘤形成等方而进行了有力的探索,涉及到白血病、乳腺癌、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌、肺癌、肾癌和神经母细胞癌等[628],鉴定了一批肿瘤相关蛋白,为肿瘤的早期诊断、药靶的发现、诊效判断和预后提供了重要依据。 在1995年国际上发表第1篇蛋白质组学的研究论文后不久,国家自然科学基金委即酝酿并于1997年设立了重大项目“蛋白质组学技术体系的建立”。经过几年努力,我国蛋白质组学技术平台的建设有了飞跃的发展,若干研究单位重点建立了技术 ①收稿日期:2007210210 作者简介:张爱玲(1981-),女,山东曲阜人,硕士,主要从事微生物免疫学研究。3通讯作者
毒理学
毒理学 第一章绪论 ●毒理学(Toxicology)：研究外源化学物对生物体损害作用及其机制的科学 ●外源化学物(xenobiotics)：是在人类生活的环境中存在、可能与机体接触并进入机体， 在体内呈现一定的生物学作用的一些化学物质，又称为“外源生物活性物质” 内源化学物：是指机体内原已存在的和代谢过程中所形成的产物或中间产物 现代毒理学(Modern toxicology)：是以毒物为工具，在实验医学和治疗学的基础上，发展为研究化学、物理和生物因素对机体的损害作用、生物学机制、危险度评价和危险度管理的科学 毒理学研究方法整体动物试验(in vivo) 体外试验（in vitro) 人体观察（Human Toxicology) 流行病学研究(Epidemiological Study) ●毒理学主要三大研究领域描述毒理学（Descriptive toxicology）直接研究的是毒性 鉴定（毒性实验），以期为安全性评价和危险度管理提供信息；还可为化学物的毒作用机制研究提供重要线索 机制毒理学（Mechanistic toxicology）研究化学物质对生物机体产生毒性作用的细胞、生化和分子机制。 管理毒理学（Regulatory toxicology）根据描述和机制毒理学的研究资料进行科学决策，协助政府部门制定相关法规条例和管理措施并付诸实施，以确保化学物、药品和食品等进入市场足够安全，达到保护人民群众身心健康的目的 ●毒理学方法的替代与更新（3R原则） 第一个“R”是替代试验（Replacement），即利用简单的生物系统如培养的细菌，哺乳动物和人的组织、细胞以及特殊的动物器官或非生物构建体系等方法取代动物试验 第二个“R”是减少动物的使用数量(Reduction)，在保证实验质量的前提下，选择合适动物和方法，改进实验设计，减少动物用量 第三个“R”是精化和改良技术(Refinement) 《取代replacement》，尽量减轻实验过程对动物造成不必要的痛苦和伤害 第四个“R”责任(Responsibility)，主要是增强人们的伦理观念，不仅对动物负责，更要对人类负责，保证各类产品进入市场后，在正常和可预见的使用条件下对消费者无伤害 第二章毒理学基本概念(Basic Toxicology Terminology) ●毒物（toxicant / poison）是指在一定条件下，以较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时的或永久性的病理改变，甚至危及生命的化学物质 ●毒性（toxicity）：是指化学物引起有害作用的固有的能力。毒性是物质一种内在的，不变的性质，取决于物质的化学结构。 毒效应：化学物对机体健康引起的有害作用称为毒效应。即毒作用 中毒(poisoning)：是指生物体受到毒物作用而引起功能性或器质性改变后出现的疾病状态●毒效应谱(spectrum of toxic effect)：是指机体接触外源化学物后，由于化学物的性质和剂量不同，可引起机体多种变化 ●选择性毒性(selective toxicity)：是指在接触条件完全相同的情况下，化学物对某种生命物质的毒性较大，而对另一种生命物质的毒性较小或只对机体内某一组织器官发挥毒性，而对其他组织器官不具有毒作用的现象 靶器官（target organ）外源化学物可以直接发挥毒作用的器官
生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展_戴家银
第26卷第3期2006年3月生 态 学 报ACTA EC OLOGI CA SI NICA Vol .26,No .3Mar .,2006生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学研究进展 戴家银,王建设 (中国科学院动物研究所,北京 100080) 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向性资助项目(KSCX2-SW -128) 收稿日期:2005-08-30;修订日期:2005-12-05 作者简介:戴家银(1965～),男,安徽怀宁人,博士,研究员,主要从事生态毒理学和生物化学研究.E -mail :daijy @ioz .ac .cn Foundation item :The project was supported by the Innovation Project of Chines e Academy of Sciences (No .KSCX2-SW -128) Received date :2005-08-30;Accepted date :2005-12-05 Biography :DAI Jia -Yin ,Ph .D .,Professor ,mainly engaged in ecotoxicology and biochemis try .E -mail :daijy @ioz .ac .cn 摘要:将基因组学和蛋白质组学知识整合到生态毒理学中形成了生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学。通过生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究能够在基因组和蛋白质组水平更深入理解毒物的作用机制,寻找更敏感、有效的生物标记物,形成潜在的强有力的生态风险评价工具。介绍了生态毒理基因组学和生态毒理蛋白质组学的研究进展,以及DNA 芯片技术和2D -凝胶电泳技术在持久性有毒污染物的生态毒理学研究中的应用。 关键词:生态毒理基因组学;生态毒理蛋白质组学;DNA 芯片技术;2D -凝胶电泳;持久性有机污染物 文章编号:1000-0933(2006)03-0930-05 中图分类号:X171 文献标识码:A Progress in ecotoxicogenomics and ecotoxicoproteomics DAI Jia -Yin ,WANG Jian -She (Institut e of Zoology ,C hines e Acade my of Sci ence s ,Beijing 100080,C hina )..Acta Ecologica Sinica ,2006,26(3): 930～934.Abstract :Ec otoxicogeno mics and ecotoxic oproteo mics are integration of genomics and proteomics into ec otoxicology .Ecotoxic ogenomics is defined as the study of gene and pr otein expr ession in non -target organisms that is impor tant in responses to environmental toxicant exposures .Ecotoxic ogenomic toolsmay provide us with a better mechanistic understanding of ec otoxicology ,and they are likely to provide a vital r ole in ecological risk assessment .Pr ogress in ec otoxicogenomics and ecotoxicoprote omics are discussed in this paper .DNA gene c hip and 2D -gel usually used in ecotoxicogeno mics and ecotoxicoproteomics ar e also e xpounded by exa mples . Key words :ec otoxicogeno mics ;ecotoxic oproteo mics ;D NA micr oarra y ;2D -gel ;persistent organic pollutants 随着生态学和环境科学的深入发展,生态毒理学已成为生态学和环境科学前沿研究领域,正从基因、蛋白质、器官和整体水平深入开展研究工作。 在人类基因组计划实施的短短几年间,以“组学(-omics )”构成的学科及其相关研究如雨后春笋般在生命科学界迅速蔓延、蓬勃发展。在环境科学领域中也出现了环境基因组学(environmental genomics )、毒理基因组学(toxicogenomics )等学科。Snape 等人[1～3]将基因组学知识整合到生态毒理学中,于2004年提出了“生态毒理基因组学(ecotoxicogenomics )”的概念,通过生态毒理基因组学研究确认一系列毒物效应基因,从而在基因组水平更深入理解毒物的作用机制,并在基因和蛋白质水平寻找更敏感、有效的生物标记物(biomarkers ),形成潜在的强有力的生态风险评价工具。 持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants ,POPs )是指能持久存在于环境中、通过食物链蓄积、逐级传递,经直接或间接途径进入人体的化学物质。POPs 具有致癌、致畸、致突变性、内分泌干扰等毒作用。POPs 对人体健康和生态环境带来的危害受到全社会的普遍关注,引起世界各国的决策者和科学家的高度重视,也成为环境科学和生态毒理学研究的热点课题之一[4,5]。我国已于2001年5月签署了控制12种P OPs 对人类健康
镉的毒性和毒理学研究进展
2Chin J Ind Hyg Occup Dis,Febru ary1998,Vol.16,No.1 述 评 镉的毒性和毒理学研究进展 刘杰 镉(Cadmium)是一种重金属,它与氧、氯、硫等元素形成无机化合物分布于自然界中。镉对人体健康的危害主要来源于工农业生产所造成的环境污染。镉对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼及血液系统均可产生毒性,被美国毒物管理委员会(ATSDR)列为第6位危及人体健康的有毒物质。环境中的镉不能生物降解,随着工农业生产的发展,受污染环境中的镉含量也逐年上升。镉在体内的生物半衰期长达10～30年,为已知的最易在体内蓄积的毒物。镉在肾脏的一般蓄积量与中毒阈值很接近,安全系数很低。在60年代提出了镉污染与日本“痛痛病”的因果关系后,环境中的镉与健康关系的研究日益受到重视。近几年来,有关镉毒理学研究的文献每年超过600篇(Medline检索)。美国目前有大约100个关于镉与健康的研究课题,涉及各个领域。国内对镉的毒性和毒理学的研究开展得也比较广泛,其中一些在中毒机制方面作了较深入的探讨,有的学者甚至进行了长达十几年的研究。 镉的毒性和毒理学研究进展主要包括以下几个方面: 一、镉污染与人类健康 1.环境中的镉:对环境中镉污染的早期关注局限于锌、铜、铅矿的冶炼。后来注意力转为镉在工业中的应用,如电池、电镀、合金、油漆和塑料等工业。经过多年的努力,国内外对职业劳动中接触镉的卫生保护已大大加强。近年来,对环境中的镉通过食物链对一般人群的潜在危害已受到高度重视。随着含镉磷肥的施用、污水灌溉等,土壤中镉含量增加,继而被某些植物摄取而进入食物链。1997年国际地球生化学会在美国加州专门对此问题进行了讨论并出版了专著;国际环境科学委员会(SCOPE)则进一步将土壤中镉的来源、价态、食物链中的转化以及对一般人群健康的影响定为目前镉研究的一个重点方向。 2.镉的摄入及监测:职业人群镉暴露的主要途径是吸入。对作业场所空气中镉的浓度进行监测并控制在容许范围之内,是保护工人健康的一个重要手段。对一般人群来说,镉暴露主要来源于食物和吸烟。人们每日可从食物中摄镉30～50 g,但仅有1%～3%被肠胃吸收。因此,对镉的胃肠吸收、体内分布和排泄的影响因素一直是镉毒理学研究中的一个热点。其中,镉与金属硫蛋白(m etal-lothio nein,MT)的结合,及镉与锌、钙的相互作用是影响镉体内代谢动力学的重要因素。血镉的含量可用来评价近期的镉暴露,尿镉含量则在一定程度上反映了镉性肾损伤和体内的镉负荷。尿中的 2-微球蛋白和尿M T的含量已作为镉暴露的生物标志物。 二、镉的毒性研究进展 1.镉的肾毒性:肾损伤是慢性染镉对人体的主要危害。一般认为镉所致的肾损伤是不可逆的,目前尚无有效的疗法。很多学者认为:镉所致的肾损伤是由在肝脏形成的镉-金属硫蛋白(M T)复合物(CdM T)引起的。因此,一次性大量注射CdMT造成肾损伤的动物模型用来研究镉的肾毒性机制已达20年之久。最近,用删除了M T的转基因动物的实验结果表明:镉所致的肾损伤并不一定依赖于CdM T的形成,无机镉亦能直接造成肾脏损伤。一次性注射CdM T主要造成肾小管细胞的坏死,而慢性染镉造成的病理改变则波及整个肾脏,包括肾小球的损伤和肾间质的炎症。慢性染镉 作者单位:66160美国堪萨斯城,堪萨斯大学医学中心药理毒理系
现代毒理学的研究方法进展及其热点_顾祖维
文章编号:1001-0580(2005)02-0254-03中图分类号:R114文献标识码:A=继续医学教育讲座> 作者简介:顾祖维,男,1935年1月生,上海人,研究员。1954~1960年在苏联列宁格勒公共卫生医学院学习。 1979~1981年在法国进修毒理学。1987年获法国国家毒理学博士学位。1960~1992年在上海医科大学劳卫生教研组任教,曾任教研室主任。1989~1992年应邀赴美国国家职业安全与卫生研究(NI OSH)工作,兼聘为美国国家研究委员会(NR C)高级研究员。1992年10月~1998年底任上海市劳动卫生职业病防治研究所研究员。1999年1月至今任上海市疾病预防控制中心研究员。从事职业医学和遗传及分子毒理学研究。现任中国毒理学会生化与分子毒理学专业委员会委员,国家自然科学基金会同行评议专家。5卫生毒理学杂志65工业卫生与职业病65中华医疗卫生65环境与健康展望6杂志副主编;5中华劳动卫生职业病杂志65中国工业医学杂志65中国公共卫生65环境与职业医学6等杂志编委。 现代毒理学的研究方法进展及其热点 顾祖维 毒理学在20世纪下半叶有了迅猛的发展,目前已形成了诸多的毒理学分支。按研究的对象或物质可分为金属毒理学、农药毒理学等。随着生产和科学技术的发展,肯定还会不断出现新的分支112。本文对现代毒理学的研究方法进展及其热点作一介绍。 1毒理学研究方法和技术发展 毒理学研究所用的方法和技术决定于要解决的问题。毒理学随科学发展,尤其是生物学和医学的发展也随之发展。毒理学发展的历史证明,引进新的概念、新的理论、新的方法和技术,会导致新的边缘学科的形成,出现毒理学新的分支。分子毒理学的形成是一个明显的见证。在毒理学研究中只要主动引进一种新的方法或技术,就有可能开创一个新的领域,获得一批创新和领先的科研成果。例如生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片的应用,将取代一些耗时的DN A印迹法(Souther n blot)、蛋白质印迹法(Western blot)、R NA印迹法(No rthern blot)和点印迹法(dot blot)。毒理学研究涉及受试化学物及它们的代谢产物的定性和定量问题,需要应用分析化学的方法。色谱)质谱联用的方法已普及。 在整体动物实验中常用组织病理学检查以观察全身器官和组织病理学改变,有利于找到靶器官,对进一步的研究可提供有价值的线索。毒理病理学方法包括光镜和电镜的检查、酶组织化学及免疫组织化学,可用于揭示病变的性质和定位。近年来,也用于研究基因包括癌基因和抑癌基因的表达。经典的病理学检查往往是定性或半定量的,现今结合图像分析,可将图像的改变转化为数据,做到定量的研究。计算机体层摄影(CT)、磁共振成像(M RI)和超声检查可提供形态和功能改变的信息。 实质脏器功能主要应用血液和尿生化指标改变,多功能生化检测仪,在一次进样后可同时检测近百种指标,血液和尿液酶谱分析也常用。对脑的研究常用电生理方法,经典的有脑电图,进一步可用微电极观察特定脑区的电活动。化学物对海马回的作用揭示了大脑学习与记忆的功能,研究毒物对基底节的作用有助于了解Par kinson.s病。大脑诱发电位技术可客观地检查感觉神经系统通路的结构和功能。还常用神经递质及其代谢产物的分析12~62。我国神经行为方法在研究职业性毒物方面已广泛应用。 2当今毒理学研究的热点211一系列/组学0的形成当今毒理学面临前所未有的良好机遇和快速发展。近年来,生命科学在新理论和新技术上有了突飞猛进的发展,一系列/组学0(omics)应运而生,如基因组学(genomics)、蛋白质组学(proteomics)、细胞组学(ce-l lomics或cytomics),等新学科不断涌现,使人们对基因和基因组的认识,对生命本质的认识和认识生命、健康的手段取得了重要的进展。其中某些学科已与毒理学产生交叉融合形成了新分支。如基因组学v毒物基因组学和环境基因组学(tox-i cog enomics or environmental genomics),蛋白质组学v毒物蛋白质组学(tox icoproteomics),代谢组学(metabonomics)v毒物代谢组学(toxicometabonmics),生物信息学(bioinformatics)或芯片生物学(in silico biolog y)v芯片毒理学(in silico toxicolo-gy)等,这此交叉分支学科已成为当前毒理学中最活跃的研究领域172。 近年来,新技术、新方法不断涌现,如包括各种生物芯片转基因和基因删除(gene knockout)技术、报告基因技术、干细胞技术、基因或蛋白质差异表达检测技术、实时定量PCR(r e-a-l time and quantitative PCR)技术、蛋白质组技术平台、代谢组技术平台、发光技术、荧光/比色、干细胞培养技术等。人体和其他生物的基因组计划、环境基因组计划、细胞凋亡和细胞胀亡(o ncosis)等细胞死亡模式、细胞信号转导通路、细胞周期调控和细胞分化机制等的研究进展,为毒理学的发展提供了理论指导。由于物种间基因的同源性,鼠的基因仅比人少300条,约1%的差异,这为从基因水平上研究毒作用的种属差异提供了可能;生物芯片技术可用于筛选毒性相关基因、揭示毒作用的基因表达谱、快速筛选毒物、筛选和检测基因多态性、检测基因突变、进行安全性评价等,从而为解决化学物的联合作用、高通量的筛选化学物、研究毒作用机制等问题18~102。我国近来报道应用基因芯片技术探讨小鼠胚胎心脏发育过程中的差异基因,结果表明,在8404个靶基因中,143个基因差异表达,其中上调基因52个,下调基因91个,分别是细胞分裂、凋亡、信号传导、基因蛋白质表达调控及某些功能尚不清楚的基因1112。 21111代谢组学代谢组学(mteabonomics)是研究机体内代谢网络系统的科学,揭示机体在正常和病理状态下代谢的全貌1122。代谢组学的技术是一种检测整个机体的代谢动力学变化的方法。这种检测仅需几滴血液,利用高频无线电波检测血液中分子磁性,通过高级计算机程序分析,检测血液、血浆和尿液,标本无须特殊的前期处理。此检测也可以有效地 作者单位:上海市疾病预防控制中心,200336
新药毒理学研究现状和展望——毒理学论文
新药毒理学研究现状和展望 吴远洪 随着医药科技的不断进步发展，人类开发药物的技术越来越成熟，研发新型药物的周期也越来越短，特别是加上巨大的医药市场利润的诱惑，让众多药物研发企业都在日夜不停地开发新药物。虽然研发一种新型药物仍然具有较高的门槛，但是每年上市的新药也并不少，而且很多都是针对现在重大疾病的药物（见表一），然而，“是药三分毒”，药物的上市虽然解决了很多人类疾病，但也同样带来了一系列的不安全因素，近年来，由药物导致事故的报道已是屡见不鲜，每年因为出现重大不良反应或者毒副作用而撤出市面的药物也不在少数，从80年代起，撤药事件就有17起（见表二），因此而造成的经济损失，包括企业经济和社会经济基本上都是天文数字，更重要的是其直接造成的生命和健康的代价更是无可估量。 药物不良反应（adverse drug reaction,ADR）是指合格药品在正常用法用量情况下出现的用药目的无关或意外的有害反应[6]。毒理学是研究毒物与机体交互作用的一门学科，已经为人类提供了重要的以剂量-效应关系为中心的数据资料，为化学物毒性评价和人类危险度量化评估提供了基本数据[7]。所以，毒理学是一种预测临床药物毒性，药物安全性评价的重要手段，为药物上市前做好良好的铺垫，也为以后避免造成不必要的经济浪费提供一个决策点。因此，建立准确性高、可靠的药物毒性研究机制是新药研发过程中迫切希望解决的问题。本文就为毒理学在新药研发的应用做出以下综述。 表一、2008-2009年中国上市新药分类统计
一、 毒理学在药物研发的必要性 众所周知，新药研发是一个长周期、高风险、高投入和高产出的工作和过程。其中在整个药物研发过程，临床前毒理学具有非常重要的参考价值和决策价值，其必要性不仅仅体现在经济效价上，也体现在社会价值上。 1.1 毒理学的经济效价 通常情况下，新药从发现到正式上市需要10年左右的时间，2010年一种新药从研发到进入Ⅲ期临床试验所需的费用增加到19亿[1]。所以研发一种药物是建立在庞大的资金链和漫长的研发周期基础上的，其中所付出的人力物力更是乃以计数，然而就算有多艰难研究出来的药物，因为一个不良反应也照样可以彻底毁掉这个药物，甚至是整个企业。往往一个药物的不良反应不仅仅给人们的生命健康带来强烈的冲击，就连企业本身也难脱劫难，就算是基础坚固的百年商业帝国也一样被摧毁殆尽，这在医药历史上已不是鲜为人知的事。因此，如果因为药物不良反应而撤出市场的话，其浪费的资源和付出的代价是相当惊人的。 新药研发经济学研究表明，新药临床试验成功率从20%提高到33%， 可节表二、历史上FDA 的撤药事件