肝细胞色素CYP24A1可作为诊断尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）接触聚苯乙烯微塑料的生物标志物

《Aquatic Toxicology》：Hepatic cyp24a1 serves as a biomarker for diagnosing polystyrene microplastic exposure in Nile tilapia ( Oreochromis niloticus)

微塑料污染对水生生态系统的影响及尼罗 tilapia 中细胞色素 P450 基因作为生物标志物的鉴定。研究通过全基因组筛选和多组织转录组分析，鉴定 88 个 CYP 基因，发现肝细胞 CYP24a1 基因在急性、适应及亚慢性暴露阶段持续上调，并通过 qPCR、Western blot 和免疫荧光验证其作为纳米 PS 暴露生物标志物的跨物种保守性。

　　在当今环境科学领域，塑料污染已成为全球性的生态危机。特别是微塑料（Microplastics, MPs）和纳米塑料（nanoplastics）的广泛存在，对水生生态系统构成了潜在威胁。微塑料因其微小的体积、高生物可利用性以及在食物链中的转移特性，容易被生物体吸收并积累，从而对包括人类在内的高级生物造成健康风险。其中，聚苯乙烯（Polystyrene, PS）因其在环境中的高度流动性，成为研究的重点。随着塑料消费量的增加和废弃物管理的不足，PS等塑料微粒已渗透到海洋、淡水、陆地甚至大气环境中，对生态系统的稳定性和生物多样性产生了深远影响。

鉴于微塑料污染的严重性，开发有效的生物标志物对于评估其生态影响和进行环境监测至关重要。生物标志物是指能够反映生物体暴露于特定环境压力或污染物状态的指标，其应用可以帮助科学家理解污染物的生物学效应并评估其潜在风险。然而，目前针对鱼类的微塑料暴露生物标志物研究仍处于初级阶段，尤其是在进化上保守的标志物方面，仍存在诸多未解之谜。因此，本研究聚焦于识别和验证鱼类中可能用于诊断PS暴露的敏感生物标志物，特别是基于细胞色素P450（Cytochrome P450, CYP）超家族的标志物。

细胞色素P450超家族是一类在生物体内广泛存在的酶系统，主要负责外源性物质（如污染物、药物等）的代谢和解毒，同时也参与内源性化合物的合成与分解。这一超家族在进化过程中表现出高度的保守性，尤其在鱼类中，由于经历了特有的三倍体全基因组复制（3R WGD），其CYP基因家族呈现出显著的扩张和功能分化。这种扩张使得鱼类在面对环境压力时，能够通过CYP系统的多样性来适应和应对，但也增加了寻找特异性生物标志物的难度。相比之下，哺乳动物中的Cyp1a基因常被用作标准的污染物暴露标志物，但其在鱼类中的适用性仍有待验证。

在本研究中，我们选择了尼罗罗非鱼（*Oreochromis niloticus*）作为研究对象。尼罗罗非鱼是一种全球广泛养殖的鱼类，具有完整的基因组注释，是环境毒理学研究的重要模型生物。研究表明，尼罗罗非鱼容易在肝脏中积累微塑料，导致组织病理学和代谢功能的改变。因此，我们对尼罗罗非鱼肝脏中的CYP超家族进行了系统性的研究，以期找到能够反映PS暴露的敏感标志物。

研究采用了全基因组识别和多组织转录组分析的方法，对88个CYP基因进行了全面的表征。通过对不同暴露阶段（急性7天、适应性14天、亚慢性21天）的肝脏转录组进行RNA测序分析，我们发现PS暴露显著影响了CYP基因的表达模式。这些变化不仅体现在基因表达水平的上调或下调，还与细胞色素P450通路的异常密切相关。进一步的基因组分析将这88个CYP基因划分为17个亚家族，所有亚家族均包含保守的P450结构域，这表明CYP基因在进化过程中保持了高度的功能一致性。

值得注意的是，在所有暴露阶段中，*Cyp24a1*基因的表达均呈现出持续的上调趋势，并在蛋白质水平上得到了验证。这一发现为PS暴露的诊断提供了新的线索。通过免疫荧光技术，我们进一步确定了*Cyp24a1*在肝脏脂肪细胞中的特异性表达，这与PS在肝脏中的积累和代谢密切相关。此外，系统发育分析证实了*Cyp24a1*在硬骨鱼类中的高度保守性，进一步支持其作为环境暴露标志物的潜力。

在对鱼类CYP基因家族的研究中，我们还发现大多数CYP基因在肝脏中表达最为显著，这与肝脏作为主要代谢器官的功能相符。通过对多个组织（肝脏、睾丸、卵巢、大脑、心脏、头部肾脏、肾脏、骨骼肌）的表达模式进行分析，我们观察到*Cyp24a1*的表达在肝脏中尤为突出，表明其在肝脏中的作用可能更为关键。这一结果不仅有助于理解PS暴露对鱼类代谢系统的影响，也为未来环境监测提供了新的方向。

此外，本研究还强调了时间动态在生物标志物识别中的重要性。传统的研究方法往往仅关注单一时间点的基因表达变化，而忽略了暴露过程中基因表达的动态变化。通过分析急性、适应性和亚慢性暴露阶段的基因表达数据，我们能够更全面地了解PS对鱼类的影响机制，并为生物标志物的筛选和验证提供了更为丰富的数据支持。这种时间动态的分析方法有助于识别那些在暴露早期即被激活，并且在后续阶段中持续表达的基因，从而提高生物标志物的敏感性和特异性。

在实验设计方面，我们采用了一种严格的控制方案，以确保研究结果的可靠性和可重复性。实验鱼为孵化后30天的尼罗罗非鱼，饲养在循环水养殖系统中，以模拟自然环境条件。PS纳米颗粒（直径100纳米）以2.5%（w/v）的水分散液形式进行暴露，总共有120条鱼被随机分配到六个水箱中，其中三个为对照组，三个为PS暴露组。通过这种方法，我们能够系统地评估PS暴露对鱼类生理和基因表达的影响，并确保实验数据的科学性和准确性。

本研究的发现对于环境科学和毒理学领域具有重要意义。首先，它为微塑料污染的生态风险评估提供了新的生物标志物，特别是*Cyp24a1*基因的持续上调可能成为PS暴露的早期预警信号。其次，该研究揭示了鱼类CYP基因家族在应对环境压力时的复杂调控机制，这有助于进一步理解污染物对生物体的潜在影响。最后，本研究的方法论为未来类似的研究提供了参考，特别是在多组织转录组分析和时间动态研究方面，展示了如何通过综合多种技术手段，更全面地评估污染物的生物学效应。

总体而言，本研究通过系统的基因组和转录组分析，识别了*Cyp24a1*作为尼罗罗非鱼中PS暴露的潜在生物标志物。这一发现不仅为微塑料污染的环境监测提供了新的工具，也为进一步研究微塑料对鱼类及其他水生生物的影响奠定了基础。随着微塑料污染的加剧，寻找和验证有效的生物标志物将变得越来越重要，这不仅有助于评估污染的生态影响，也为制定相应的环境保护政策提供了科学依据。