肝脏代谢重编程新发现：TCDD通过激活芳香烃受体(AHR)改变尿代谢组特征

本研究揭示了环境污染物2,3,7,8-四氯二苯并二噁英(TCDD)通过激活芳香烃受体(AHR)调控肝脏代谢通路的新机制。研究人员采用多组学方法，发现TCDD剂量依赖性地改变尿液中三甲胺(TMA)、三甲胺N-氧化物(TMAO)和1-甲基烟酰胺(1MN)等代谢物水平，并与肝脏脂肪变性、炎症和纤维化病理改变相关。该研究为理解环境污染物诱导肝病的分子机制提供了重要线索。

　　

环境污染与代谢性疾病的关系一直是公共卫生领域的重要课题。其中，持久性有机污染物2,3,7,8-四氯二苯并二噁英(TCDD)因其极强的毒性和生物蓄积性备受关注。流行病学研究显示，TCDD等二噁英类化合物(DLCs)暴露与人类肝脏疾病存在关联，但其具体机制尚不清楚。在啮齿类动物中，TCDD可诱导可逆性肝脏脂肪变性发展为脂肪性肝炎，伴随门静脉周围纤维化和胆管增生。这些效应主要由芳香烃受体(AHR)介导，但导致病理变化的潜在机制仍未阐明。

为深入探究这一问题，美国密歇根州立大学(Michigan State University)的研究团队开展了一项创新性研究。他们假设1维质子磁共振(1-D ¹H NMR)技术可以识别组织特异性代谢通路紊乱，这些紊乱导致了TCDD引起的尿液代谢物谱变化。通过整合肝脏组织病理学、基因表达数据和尿液代谢组学分析，研究人员揭示了TCDD通过AHR激活调控多种代谢通路的新机制。相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多项关键技术方法：建立TCDD剂量反应小鼠模型(0.03-30μg/kg，每4天灌胃1次，持续28天)；1-D ¹H NMR尿液代谢组学分析；肝脏组织病理学评估；全基因组RNA测序(RNA-seq)；单核RNA测序(snRNA-seq)；AHR染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)；气相色谱-质谱(GC-MS)分析肝脏代谢物；以及Western blot验证关键蛋白表达。

TCDD诱导的效应
研究显示，TCDD剂量依赖性地增加肝脏绝对和相对重量，在30μg/kg剂量下降低体重。组织病理学分析发现，≥10μg/kg TCDD可诱导肝脏脂肪变性、肝细胞肥大、混合性炎症细胞浸润和胆管增生。血清ALT轻微升高与肝脏坏死程度增加一致。总体而言，TCDD未引起明显的全身毒性或肝毒性，但在30μg/kg剂量下可诱导脂肪性肝炎伴胆管增生。

1-D ¹H NMR尿液代谢谱分析
研究人员在小鼠尿液中鉴定出107种独特代谢物。经肌酐归一化和概率商归一化处理后，PCA分析显示PC1能最好地区分样本。研究发现，在≤3μg/kg TCDD剂量下，尿液中的三甲胺(TMA)、三甲胺N-氧化物(TMAO)和1-甲基烟酰胺(1MN)水平即发生改变；而其他代谢物如乙醇酸、尿刊酸和3-羟基异戊酸等仅在出现中度至重度脂肪性肝炎时(≥10μg/kg)才发生改变。基准剂量(BMD)分析显示，这些代谢物的中位BMD_10%范围为3.2-9.0μg/kg。

肝脏基因表达整合
RNA-seq分析显示，TCDD在≥1μg/kg剂量下引起肝脏转录组的剂量依赖性变化。共发现6,722个差异表达基因(DEGs)，其中2,983个基因的BMD_10%上限(BMDU_10%)<10μg/kg。功能分析显示，这些基因富集在与TCDD改变的尿液代谢物相关的代谢通路中，包括丙酮酸代谢、胆碱代谢、支链氨基酸代谢、乙醛酸代谢和色氨酸代谢等通路。

胆碱代谢
研究发现TCDD显著改变了胆碱代谢通路。尿液胆碱水平降低2.6倍，而肉碱水平无变化。肠道微生物TMA产生酶cutC、grdB或cntA的拷贝数无显著变化。值得注意的是，FMO3在30μg/kg TCDD处理组中诱导表达超过600倍，且AHR在Fmo3转录起始位点(TSS)有基因组结合。单核RNA-seq显示FMO3主要在肝细胞中表达。此外，ABCC4 mRNA水平增加46.9倍，可能在TMAO从肝细胞输出到血液中起重要作用。

羟脯氨酸和乙醛酸代谢
尿液乙醇酸水平剂量依赖性增加7.4倍，而相关化合物丝氨酸增加1.6倍。羟脯氨酸代谢相关基因Prodh2、Got2、Hogal和Grhpr表达下调。过氧化物酶体中乙醇酸转化为甘氨酸的关键酶HAO1和AGXT分别下调222.7倍和6.5倍。Western blot证实了HAO1和AGXT蛋白水平下降。此外，乙醛酸解毒相关基因Glo1和Hagh分别下调5.0倍和1.9倍，GLO1活性和蛋白水平也降低。

维生素B3代谢
尿液1MN水平剂量依赖性降低10.5倍。虽然肝脏、血清和尿液色氨酸水平未改变，但色氨酸代谢通路中多个基因表达下调，包括Ido2、Tdo2、Afmid、Kmo、Kynu、Haao和Qprt等。这些基因多数具有AHR基因组结合位点。此外，NAD⁺水解酶CD38表达增加3.4倍，而线粒体NAD⁺激酶Nadk2表达下调1.8倍。

支链氨基酸(BCAA)分解代谢
虽然BCAA(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)水平未改变，但其分解代谢中间产物2-羟基异戊酸(2HIV)、3-羟基异戊酸(3HIV)和甲基琥珀酸(MSA)水平分别增加2.1倍、3.6倍和3.6倍。BCAA代谢第二步关键酶BCKDH的组分Bckdha和Bckdhb表达下调，同时磷酸酶Ppm1k下调2.9倍。这些变化可能导致BCKDH活性抑制，促使BCKA通过替代途径代谢。

组氨酸代谢
尿液尿刊酸水平增加2.8倍，谷氨酸增加1.7倍。组氨酸代谢第一步催化酶Hal表达下调25倍，而Uroc1、Amdhd1和Ftcd等下游基因也显著下调。肠道微生物组hut系统基因(hutH、hutU和hutI)未发生改变，提示宿主代谢是组氨酸和尿刊酸水平改变的主要原因。

这项研究通过多组学方法系统阐明了TCDD通过AHR激活调控肝脏多种代谢通路的新机制。研究发现，TCDD在低剂量(≤3μg/kg)即可改变尿液TMA、TMAO和1MN水平，这些变化可能作为TCDD暴露或早期肝损伤的生物标志物；而在高剂量(≥10μg/kg)下引起的乙醇酸等代谢物改变则可能与脂肪性肝炎进展相关。研究特别强调了FMO3诱导和HAO1抑制在TCDD代谢紊乱中的核心作用，为理解环境污染物诱导肝病的分子机制提供了新视角。这些发现不仅深化了对AHR信号通路调控代谢的认识，也为开发相关疾病的早期诊断指标和干预策略提供了理论依据。