《Science of The Total Environment》：Benzo(
a)pyrene induces cardiac hypertrophy via the aryl hydrocarbon receptor-mediated DNA damage
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苯并[a]芘（BaP）通过激活AHR-Cyp1a1/Cyp1b1通路诱导DNA损伤，抑制核苷酸切除修复（NER），导致细胞衰老和心肌细胞肥大，在H9c2细胞和斑马鱼模型中均得到验证。
张帆|江艳|陈品仪|陈慧贤|陈涛
中国苏州大学苏州医学院附属第一医院，教育部老年疾病与免疫学重点实验室
摘要
苯并(a)芘（BaP）是最广泛研究的多环芳烃之一，在环境中普遍存在。BaP暴露与心血管疾病有关，但其潜在机制尚不明确。在本研究中，我们观察到BaP暴露会导致大鼠H9c2心肌细胞的心脏肥大效应（细胞表面积增大以及Nppa、Nppb和Myh7基因表达增加）。值得注意的是，这些效应依赖于芳香烃受体（AHR）-Cyp1a1/Cyp1b1轴。AHR-Cyp1a1/Cyp1b1信号通路还介导了BaP诱导的细胞衰老，表现为β-半乳糖苷酶阳性细胞比例增加、p21过表达和Lamin B1缺乏。我们进一步证明，BaP激活AHR不仅通过上调Cyp1a1/Cyp1b1表达促进BPDE-DNA加合物的形成，还通过抑制核酸切除修复（NER）机制起作用。进一步实验表明，BaP激活的AhR通过下调Ddb2表达来抑制Sirt1表达。此外，通过抑制p21来延缓细胞衰老可以对抗BaP引起的心脏肥大。我们在斑马鱼幼体中也证明了AHR抑制或Sirt1激活能够减轻BaP引起的心脏肥大。总之，我们的发现表明BaP激活AHR通过促进其转化为BPDE和抑制NER来诱导DNA损伤，从而导致细胞衰老并最终引发心脏肥大。
引言
苯并(a)芘（BaP）是最广泛研究的多环芳烃（PAHs）之一，主要来源于有机材料的不完全燃烧（Bukowska等人，2022年）。人类接触BaP的途径包括吸烟、食物烘烤和油炸（Yang等人，2019年）。美国环境保护署（US EPA）将BaP列为优先污染物，它是一种强致癌物和诱变剂（Gao等人，2019年）。有证据表明，BaP暴露与心血管疾病（包括心脏肥大）密切相关（Aboutabl等人，2009年；Revis等人，1984年）。值得注意的是，吸烟是BaP暴露的主要来源，约占所有心脏病死亡的三分之一（Chen和Boreham，2002年）。
心脏肥大是心肌细胞对高血压和压力负荷等刺激的代偿反应（Michinari和Junichi，2018年）。然而，其持续进展会损害心脏功能并最终导致心力衰竭（Samak等人，2016年）。心肌肥大的特点是心肌细胞表面积增加和心体重比升高，通常伴随着心房钠尿肽（Anp）、脑钠尿肽（Bnp）和β-肌球蛋白重链（β-MHC，由Myh7编码）等基因的表达上调（Samak等人，2016年）。研究表明，环境污染物如PM2.5和BaP可以诱导心脏肥大，但其确切机制仍不清楚（Huang等人，2014年；Su等人，2020年）。
细胞衰老是指细胞分裂的不可逆停止（Regulski，2017年；Sikora等人，2018年）。Li等人报告称，细胞衰老会促进心脏炎症和纤维化，从而导致心脏肥大（Li和Cai，2015年；Strait和Lakatta，2012年）。尽管心肌细胞已经高度分化，但它们仍具有驱动衰老的机制。在小鼠心脏中观察到随年龄增长衰老的心肌细胞数量增加，而多柔比星等外源物质可以通过诱导DNA损伤来引发心脏衰老（Pillai等人，2021年）。
苯并(a)芘-7,8-二氢二醇-9,10-环氧物（BPDE）是一种活性BaP代谢物，可以通过与DNA共价结合形成BPDE-DNA加合物（Beranek等人，2016年；Woo等人，2008年）。细胞色素P450（CYP450）酶Cyp1a1和Cyp1b1对BPDE的产生和消除至关重要（Beranek等人，2016年；Shiizaki等人，2017年）。尽管这些酶通常表达水平较低，但BaP激活的芳烃受体（AHR）会显著上调它们的表达（Avila-Rosales等人，2021年；Liamin等人，2017年；Shiizaki等人，2017年）。在脊椎动物中，核酸切除修复（NER）是去除BPDE-DNA加合物的主要途径（Gunz等人，1996年；Shen等人，2006年）。已有研究表明AHR参与人类和小鼠细胞的DNA修复（Dittmann等人，2016年；Schreck等人，2009年）。特别是Pollet等人报告称，AhR在紫外线B照射的人类表皮角质形成细胞中抑制NER（Pollet等人，2018年）。我们最近在暴露于BaP的斑马鱼胚胎中证明，AHR通过抑制NER促进BPDE-DNA加合物的形成（Zou等人，2024年）。
基于这些证据，我们假设BaP激活的AHR通过促进BPDE转化和抑制NER来诱导DNA损伤，从而导致细胞衰老和心脏肥大。本研究利用大鼠心肌细胞H9c2和斑马鱼幼体作为体外和体内模型，探讨BaP诱导心脏肥大的机制，特别关注AHR在介导DNA损伤和随后的细胞衰老中的作用。
化学试剂
BaP（CAS 50-32-8，纯度≥96%）和NER抑制剂螺内酯（SP，CAS 52-01-7）来自中国上海的Aladdin生化技术有限公司。Cyp1a1抑制剂rhapontigenin（Rha，CAS 500-65-2）来自中国上海的Macklin生化技术有限公司。SIRT1激活剂SRT2183（SRT，CAS 1001908-89-9）和AHR抑制剂CH223191（CH，CAS 301326-22-7）来自中国上海的MedChemExpress有限公司。Cyp1b1抑制剂2,4,3′,5′-四甲氧基芪
AHR-Cyp1a1/Cyp1b1轴参与大鼠H9c2心肌细胞中的BaP诱导的心脏肥大效应
我们最初发现，超过10 μM的BaP浓度显著增强了细胞活力（图S1）。需要注意的是，CCK-8测定法测量的是细胞脱氢酶活性，因此数值增加可能反映了代谢活动的增强而非直接的细胞增殖。后续观察发现，5 μM和10 μM的BaP显著增加了细胞表面积（图1A）。基于这些发现，我们选择了10 μM的浓度
讨论
在本研究中，我们观察到BaP暴露导致大鼠H9c2心肌细胞的细胞表面积增加以及心脏肥大标志物（包括Nppa、Nppb和Myh7）的表达升高。暴露于BaP的斑马鱼幼体的心脏中也观察到nppa和nppb的表达升高。这些结果表明BaP暴露会诱导心脏肥大。与我们的发现一致，Aboutabl等人报告了心体重比的增加
结论
我们的研究表明，BaP激活的AHR不仅通过上调Cyp1a1/Cyp1b1表达促进BPDE-DNA加合物的形成，还通过抑制Sirt1来抑制NER，从而导致DNA双链断裂。由此产生的DNA损伤会触发p21介导的细胞衰老，最终导致心脏肥大（图8E）。我们的结果揭示了BaP诱导心脏肥大的机制，并提出了潜在的治疗靶点
作者贡献声明
张帆：撰写初稿，进行实验研究。江艳：撰写、审稿与编辑，监督研究，获取资金。陈品仪：进行实验研究。陈慧贤：进行实验研究。陈涛：撰写、审稿与编辑，项目管理，概念构思。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：81870239）和江苏省高等教育机构重点学术发展计划的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
