镉胁迫诱导果蝇线粒体损伤与跨代遗传

《Environmental Toxicology and Pharmacology》：Cadmium stress induces mitochondrial damage and transgenerational inheritance in Drosophila melanogaster

　　

•Cd影响黑腹果蝇的线粒体功能和活性。
•Cd处理影响与线粒体动力学相关基因的表达。
•Cd可诱导黑腹果蝇出现异常的自噬水平。
•Cd的影响在雌性果蝇中可遗传多代。

**引言**

Cd是一种毒性极高的重金属，其特点是生物半衰期长、排泄效率低。Cd在电子、航空航天、颜料等行业的广泛使用，已导致全球污染日益严重。在中国，7.0%的监测点Cd浓度超过了土壤质量标准，这一比例在所有无机污染物中最高（中华人民共和国环境保护部与国土资源部，2014年）。中国土壤Cd浓度的全国平均值为0.0097 mg/kg，但由于自然母质或人为污染的影响，富金属土壤中的Cd浓度可高出10至1000倍，范围从20至800 mg/kg不等（He等，2005年）。据报道，中国约有13,000公顷的耕地受到Cd污染（顾吉光，2002年）。在韩国工业城市的稻田中，土壤Cd平均浓度为1.98 mg/kg，超过国家标准的1.4 mg/kg（Cho等，2019年）。同样，Cd是日本农业土壤最严重重金属污染的主要贡献者（Arao等，2010年）。根据Chen等（2024年）的研究，Cd是多个国家城市粉尘中的主要污染物之一，其中位浓度是地壳背景值的16倍，60.3%的调查城市被归类为重污染。Cd暴露主要通过吸入和摄入发生，对儿童构成显著的非致癌风险。

Cd可通过食物链富集，并经肠道转运体被人体吸收，在肾脏、肝脏等器官中蓄积。易感人群，包括孕妇、婴儿和慢性病患者，其镉吸收效率更高，导致对人体的长期损害（Cirovic和Cirovic，2026年）。迄今为止，许多研究已证实，免疫力下降、脑损伤、金属稳态紊乱和化学感知障碍均与Cd污染有关（Mariagrazia等，2017年；Li等，2020年；Mirkov等，2021年）。研究还表明，Cd暴露会损害生物的生殖功能。Bhardwaj和Rathee（2023年）发现，妊娠小鼠吸入氧化镉（CdO）纳米颗粒会破坏子宫激素环境，降低胚胎着床率。同样，Cd暴露导致小鼠睾丸损伤并损害雄性生育能力（Bhardwaj等，2024年）。在山羊中，Cd通过DNA损伤、抑制类固醇生成酶（3β-HSD和17β-HSD）以及破坏氧化还原平衡，诱导睾丸细胞凋亡和功能损害（Bhardwaj和Panchal，2021年；Panchal和Bhardwaj，2024年）。除了对动物的影响外，Cd还对植物产生毒害作用。Chen等（2023年）指出，Cd胁迫可显著抑制水稻的光合作用和呼吸代谢，导致植物生长迟缓、产量降低和谷物品质的营养质量下降。

黑腹果蝇具有体型小、繁殖周期短、可检测异常表型多等特点，是毒理学研究或代际研究的理想模型之一。已有证据表明，Cd会影响黑腹果蝇当代及后代各代的存活率、寿命和生育力。Hu等（2023年）发现，暴露于0.5 mM氯化镉可显著影响黑腹果蝇的生长、发育、活动和睡眠，并诱导铁死亡。同时，H?O?水平随CdCl?浓度增加而升高。Yang等（2022年）发现，重金属Cd可损伤三龄果蝇幼虫的中肠细胞，导致DNA损伤并增加活性氧含量。此外，Cd诱导果蝇幼虫中sesB基因表达的变化，该基因编码线粒体腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT），表明Cd胁迫可能通过影响线粒体功能变化产生更多的活性氧。

线粒体主要参与真核细胞的氧化呼吸过程，柠檬酸合酶（CS）定位于线粒体基质中，是三羧酸循环的关键酶，其活性决定了整个代谢途径的总速度和方向（Beeckmans，1984年）。线粒体是对各种损伤最为敏感的细胞器之一。线粒体缺陷与活性氧过量产生、无法维持细胞稳态以及诱导凋亡有关。dPGC-1功能促进线粒体耗氧并调节线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）基因的功能，是线粒体活性的重要标志。在胰岛素-TOR通路中，tor位于dPGC-1的上游，可通过dPGC-1间接调节线粒体活性（Mukherjee和Duttaroy，2013年）。在分子水平上，线粒体结构变化是动态的，涉及促进融合的蛋白（如Mfn1、Mfn2和Opa1）与促进分裂的蛋白（如Fis1、Mff和Drp1）之间的平衡（Zhang等，2016年；Dubal等，2022年）。此外，PINK1/Parkin通路可促进线粒体分裂或抑制线粒体融合。任一过程的异常都会导致线粒体碎片化。此外，当线粒体遇到某些应激并导致功能障碍时，线粒体蛋白和核蛋白之间的平衡被打破，诱导更多分子伴侣基因（如Hsp60、Hsp10和Hsc70-5）的表达，从而更好地促进蛋白质的正确折叠或降解（Caruso Bavisotto等，2020年；Zhu等，2021年）。自噬相关基因（Atg1、Atg5）和Atg5-Atg12蛋白是自噬的关键执行因子，在大多数细胞应激研究中，自噬发挥保护作用（Ma等，2018年；Tang等，2024年；Wang等，2025b年）。

表观遗传学广义上指的是独立于DNA序列变化之外的基因表达和功能的稳定调控，通常由DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA介导。在表观遗传变化的研究中，已提出不同的模型来区分环境暴露的直接后果与真正的表观遗传继承。根据Wang等（2017年）的分类，如果亲代环境因素诱导的表型改变仅在其后代或孙代中被观察到，则将其归类为代际效应或多代效应，因为这些后代在胚胎或生殖细胞发育阶段可能已直接暴露于初始环境刺激。相比之下，真正的代际表观遗传继承定义为环境诱导的表型或表观遗传标记传递至第三代及以后，其中F3后代从未直接暴露于初始环境刺激，从而排除了通过生殖细胞或宫内环境的直接暴露效应的可能性。例如，在含有不同Cd浓度（0、2.25和4.5 mg/kg）的培养基中培养的黑腹果蝇（F0），雌性果蝇表现出卵巢形态发生改变、凋亡增加和生育力下降。这些效应在移除Cd胁迫后仍可传递至后代（Wang等，2025a年）。线虫亲代暴露于抗霉素A后，其后代即使在无胁迫环境中饲养，仍能继承增强的线粒体胁迫耐受能力，且该表观遗传适应可传递至F4代。值得注意的是，亲代中激活的线粒体应激反应对于H3K4me3和DNA 6 mA修饰的建立及其代际传递至关重要（Ma等，2019年）。由于线粒体具有独特的母系遗传特性，几乎所有后代的线粒体均来自母亲。环境因素可影响母体线粒体的形态和功能，如孕产妇及出生后的营养不良、缺氧以及过量激素和内分泌干扰物的暴露。这些因素可能影响后代的形态、生理和行为（Panera等，2022年）。例如，如果妊娠小鼠被喂食低蛋白饮食，后代线粒体的氧化磷酸化能力将降低（Nascimento等，2014年）。黑腹果蝇暴露于四环素，导致线粒体损伤。如果移除应激因素，受损的线粒体仍可传递两代（Müller，2010年）。基于上述发现，我们推测Cd暴露可诱导果蝇的发育毒性和线粒体功能障碍。这些由Cd诱导的线粒体损害可能传递至未暴露的后代，导致持续的代际发育缺陷。为验证这一假设，本研究以黑腹果蝇为实验材料，探索Cd胁迫对黑腹果蝇亲代及无胁迫后代线粒体活性、分裂、融合和自噬的影响。本研究揭示了Cd对线粒体的毒理作用及其代际效应，为Cd污染毒性机制的研究和预防提供了数据支持。

**分段摘要**

**果蝇培养方法**
野生Canton-S品系黑腹果蝇在含有玉米粉、蔗糖、琼脂和酵母的标准培养基中培养，于25 ± 1℃、12:12小时光暗周期的培养箱中饲养。

**试剂**
SuperRed/GelRed核酸染料购自北京Labgic科技有限公司（中国北京）。昆虫柠檬酸合酶ELISA检测试剂盒购自上海酶联生物科技有限公司（中国上海）。Trizol试剂、逆转录试剂盒和SYBR Green试剂盒——

**Cd对柠檬酸合酶活性的影响**
与对照组相比，F0果蝇在Cd胁迫后柠檬酸合酶活性显著降低（P < 0.05）（图2A）。在考察该效应于后续世代的表现时，出现了明显的性别特异性模式：来自雌性处理组的无胁迫F1和F2后代中，CS活性仍然显著降低（P < 0.05），而雄性处理组的F1至F4世代则未观察到此类差异（P > 0.05）（图2A）。

**讨论**
线粒体相关基因表达的变化与外部环境的变化密切相关。例如，Wu等（1999年）证明，寒冷暴露和高热量饮食会刺激交感神经系统，导致β-肾上腺素受体激活，随后诱导PGC-1的表达。这一转录共激活因子继而促进核呼吸因子（NRFs）的表达，并与协同激活NRF-1介导的转录——

**结论**
总之，本研究显示，重金属Cd胁迫可导致黑腹果蝇的线粒体损伤，表现为线粒体功能和活性的变化、线粒体动力学改变和线粒体自噬异常，以及线粒体相关基因表达的改变。这些效应通过雌性果蝇传递至未直接遭受Cd胁迫的雌性后代，提示潜在的代际遗传性。后续研究计划整合线粒体——

**CRediT作者贡献声明**
王新月：撰写——初稿、调查、数据整理、概念构思。王思萌：撰写——初稿、验证、形式分析、数据整理。孙李然：撰写——初稿、方法学、调查、概念构思。梁超：可视化、验证。王福生：验证。张敏：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张敏报告获得中国国家自然科学基金的支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究获得中国国家自然科学基金（项目编号：2021JM-198）的资助。

王新月|王思萌|孙李然|梁超|王福生|张敏