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为探究妊娠期砷暴露对胎鼠下丘脑发育的分子机制，研究人员利用 WGBS 和 RNA-seq 分析砷暴露胎鼠下丘脑，发现 14587 个 DMRs、373 个 DEGs，揭示 DNA 甲基化与基因表达关联，为砷毒性机制研究提供新视角。
在环境污染物对胎儿发育影响日益受到关注的背景下，砷作为一种广泛存在的有毒物质，可通过胎盘屏障对胎儿发育造成严重威胁，尤其可能损害下丘脑这一调控代谢、应激反应和生殖功能等重要生理过程的关键脑区。然而，砷暴露导致下丘脑发育和神经内分泌功能异常的具体分子机制尚不清楚。为填补这一知识空白，新乡大学的研究人员开展了母鼠妊娠期砷暴露对胎鼠下丘脑甲基组和转录组影响的研究，相关成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》。该研究旨在通过整合表观基因组和转录组分析，揭示砷暴露诱导的胎鼠下丘脑表观遗传和转录响应机制，为深入理解砷的发育毒性提供新的理论依据。
研究人员选用 ICR 小鼠作为实验动物，将妊娠母鼠随机分为对照组和砷暴露组，后者在妊娠期间饮用含 4 mg/L As?O?的去离子水。在子代出生后第 21 天（断奶期），采集下丘脑组织进行分子分析。研究中采用的主要关键技术方法包括：全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）用于检测 DNA 甲基化模式和差异甲基化区域（DMRs）；RNA 测序（RNA-seq）分析差异表达基因（DEGs）；定量实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）验证 RNA-seq 结果；同时进行了砷含量测定、组织病理学评估等。实验选用雌性子代小鼠，因已有证据表明雌性对砷诱导的生殖和代谢功能干扰更敏感，且每个实验组使用多个生物学重复样本（每组 3 个混合样本，每个样本由 3 只小鼠组织合并而成），以确保结果的可靠性。
3.1 砷生物蓄积和组织病理改变
通过原子吸收光谱法检测发现，砷暴露组子代血清和下丘脑组织中的砷浓度显著高于对照组，证实了砷从母体到胎儿的有效转移和全身生物蓄积，包括中枢神经系统的摄取。组织病理学分析显示，对照组下丘脑仅出现轻微变化，如偶见细胞质苍白和稀疏，以及极轻微的血管周围间隙扩张；而砷暴露组表现出更明显的病理特征，如萎缩神经元比例增加，表现为细胞质浓缩、核染色质增多、神经元周围间隙不规则以及核质边界不清，表明砷对发育中的下丘脑具有结构性神经毒性。
3.2 DNA 甲基化模式评估
WGBS 分析显示，对照组和砷暴露组每个样本均产生约 3.2 亿个清洁 reads，均匀分布在所有染色体区域，亚硫酸氢盐转化率均超过 99%，映射率分别为 76.23% 和 76.35%。尽管全基因组甲基化水平在两组间无显著差异，但砷暴露组 CG 甲基化比例（46.15%）略高于对照组（45.02%），而 CHG 和 CHH 甲基化比例较低，表明砷暴露改变了甲基化胞嘧啶的分布背景，尤其是增加了 CG 甲基化的相对比例。
3.3 差异甲基化区域（DMRs）分析
研究共鉴定出 14587 个 DMRs，其中 7567 个高甲基化区域，7020 个低甲基化区域。高甲基化 DMRs 主要存在于 CG 背景，而低甲基化 DMRs 主要存在于 CHG 和 CHH 背景。DMRs 主要分布在启动子、外显子、内含子和重复区域等关键基因组区域。功能注释显示，CG 背景的差异甲基化区域相关基因（DMGs）富集在嗅觉受体活性、结合、DNA 结合等分子功能，以及代谢途径、嗅觉转导、PI3K-Akt 信号通路等；CHH 背景的 DMGs 则富集在转录调控活性、DNA 结合转录因子活性、运动活性等分子功能，以及代谢途径、MAPK 信号通路、Rap1 信号通路等。
3.4 转录组改变
RNA-seq 分析鉴定出 373 个 DEGs，其中 219 个上调，154 个下调。KEGG 分析显示，这些 DEGs 富集在细胞因子 - 细胞因子受体相互作用、神经活性配体 - 受体相互作用、抗原加工和呈递等通路；GO 分析显示其富集在对尼古丁反应、神经递质结合、骨化等过程。RT-qPCR 验证了部分 DEGs 的表达变化，进一步支持了 RNA-seq 结果的可靠性。
3.5 甲基组与转录组整合分析
整合分析表明，启动子高甲基化的基因往往表达下调，而启动子低甲基化的基因通常表达上调，证实了 DNA 甲基化与基因表达之间的调控关联。KEGG 通路富集分析显示，高甲基化且表达下调的基因与 PI3K-Akt 信号通路、MAPK 信号通路、神经 trophin 信号通路等相关，涉及神经元存活和致癌调控；低甲基化且表达上调的基因富集在昼夜节律、ABC 转运蛋白、胃癌和甲状腺癌等相关通路，提示低甲基化可能导致与肿瘤发生和节律调节相关基因的异常激活。
研究结论表明，母鼠妊娠期砷暴露可诱导胎鼠下丘脑广泛的 DNA 甲基化模式改变和转录组重塑，这些表观遗传和转录响应与细胞因子信号、神经活性配体 - 受体相互作用、代谢途径等关键通路相关，揭示了砷通过表观遗传机制调控基因表达进而影响下丘脑发育的分子路径。讨论部分指出，砷可能通过消耗甲基供体 S - 腺苷甲硫氨酸（SAM）、干扰组蛋白修饰酶和非编码 RNA 等多种机制诱导表观遗传改变，这些改变与代谢功能障碍、钙信号失调和免疫激活等共同作用，导致神经发育毒性。该研究不仅为理解砷的发育神经毒性机制提供了新的见解，也为早期监测和干预砷暴露相关的发育异常提供了潜在的生物标志物和治疗靶点，对环境毒理学和发育医学领域具有重要意义。
