斑马鱼短期接触三丁基锡会引发以脂质为中心的分子反应，进而导致早期神经毒性

《Environmental Pollution》：Short-Term Tributyltin Exposure Initiates Lipid-Centered Molecular Programs Linked to Early Neurotoxicity in Zebrafish

　　

摘要

三丁基锡（TBT）是一种持久性的环境污染物，具有明确的激素干扰和致肥胖特性；然而，短期内暴露与功能毒性之间的早期分子机制仍不清晰。尤其尚不清楚在敏感的发育阶段短暂暴露是否足以引发一系列分子变化，并导致后续的神经功能异常。在此，我们通过结合非靶向脂质组学、转录组学、神经递质分析以及行为评估，研究了斑马鱼胚胎在短期（24小时）、与环境浓度相近的TBT暴露下的反应。此类暴露足以破坏脂质平衡、氧化状态及神经功能，表明水生生物对TBT的敏感性远高于此前的认知。这项研究凸显了以脂质为中心的多组学整合方法在揭示激素干扰物作用机制方面的价值，其作用范围超出了传统检测方法。脂质组学分析显示，脂质平衡出现协调性紊乱，表现为脂肪酸、甾醇和甘油磷脂含量下降，而甘油脂含量上升，这表明脂质代谢平衡已早早被打破。这些脂质变化与脂质相关基因网络的转录组学重编程相一致，某些核心基因可解释观察到的表达模式。此外，基因表达失调与长期暴露（2–5天龄）时的表观基因组学及转录组学数据相符，进一步证明了TBT对脂质平衡的早期影响十分显著，同时还影响了其他与RXR相关的过程，如神经毒性及信号传导紊乱。重要的是，以脂质为核心的分子变化还伴随着单胺类神经递质谱系的改变以及短暂的行为障碍，从而将早期的代谢失调与神经功能毒性联系起来。总体而言，本研究表明，在早期发育阶段，短期、与环境浓度相近的TBT暴露就足以引发以脂质为核心的分子变化，并带来可测量的神经化学及行为后果。

引言

化学污染是21世纪最紧迫的全球性问题之一，其严重程度逐年加剧[1]。激素干扰化学物质是一类日益受到关注的新兴污染物，由于在海洋生态系统中的广泛存在及其潜在毒性，近年来备受重视[2]。环境中存在的潜在激素干扰物种类繁多，而三取代有机锡化合物因其高毒性而尤为值得关注，其中三丁基锡化合物（TBT，Sn(C₄H₉)₃⁺ X^-）被视为最具危害性的物质[3]、[4]。20世纪80年代，有早期研究指出TBT对多种水生生物具有严重毒性，会改变多种无脊椎动物（如软体动物、牡蛎、甲壳类动物）的胚胎发育和繁殖能力，还会导致鱼类出现性别异常和雄性化现象[5]、[6]，由此引发了人们对TBT环境影响的担忧。

为此，首先出台了区域限制措施，随后国际海事组织于2008年宣布全面禁止使用TBT[4]。自2009年起，TBT化合物还被列入《鹿特丹公约》的附件三。尽管已有近20年的法律约束，但由于TBT的热稳定性高且水溶性低，难以降解，它依然持续存在于环境中，是一个重要的环境问题[7]。在沉积物中，尤其是在厌氧条件下，TBT的半衰期估计可达数十年[8]。此外，包括美国在内的西方国家也存在非法使用TBT的情况[9]，这也使得该物质在水生生态系统中持续存在。目前海水中的TBT浓度（ng·L^-1），在海洋活动频繁的地区甚至可达到μg·L^-1，这一浓度与已知会对生物造成不良影响的浓度处于同一数量级[6]、[10]。

由于TBT的亲脂性很高，它会通过食物链的生物放大作用，在生物体内的积累浓度比周围海洋环境高出数个数量级[11]。正如Mikac等人所总结的，近期对海水、沉积物及生物体内TBT含量的检测显示，生物体内的浓度普遍远高于海水中的水平[12]。由于这类有毒物质会被认为会损害不同物种的胚胎和幼体发育，生物放大作用可能导致受影响物种在环境中灭绝或数量减少，进而降低海洋生态系统的多样性。有研究提出，TBT可能作为视黄酸X受体（RXR）和过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的激动剂，属于潜在的激素干扰物[13]。最近的研究还发现，TBT具有致肥胖性，能在多种相关生物体内引发脂质毒性[14]、[15]、[16]。此外，还有研究表明TBT可能具有致畸和神经毒性，会改变受暴露生物的神经递质含量和行为表现[17]、[18]、[19]。然而，尽管相关资料越来越多，TBT干扰神经发育的具体机制仍未明确。

与许多其他科学领域一样，近期的一些技术发展使得新的分析方法能够在毒理学评估中得到常规应用。这些方法有望为评估化学物质的毒性提供重要信息，同时减少对传统动物毒性试验的依赖。诸如非靶向组学分析这类高通量筛选方法，已成为很有前景的新分析工具，不仅能更好地阐明污染物的毒性机制和作用方式，还能预测哪些分子变化可能引发不良效应[20]。在激素干扰物评估方面，这些新型技术对于研究非EATS通路尤为重要，这类通路是指不涉及雌激素、雄激素、甲状腺受体信号传导或类固醇生成的激素通路，统称为EATS通路[21]。在各种组学分析方法中，多组学整合越来越受到重视，因为它能更全面地了解毒性机制以及不良后果形成过程中的关键事件。近年来，多组学研究呈指数级增长，为毒理学领域带来了诸多新见解[22]。不过，将多组学方法应用于环境研究仍然面临诸多挑战[23]、[24]、[25]，其中一个主要障碍就是多组学数据的生物学解读往往并非那么简单。

除了干扰代谢之外，还有研究指出TBT会通过改变甾醇平衡、单胺类神经递质传递及行为表现来干扰神经发育。鉴于胆固醇和脂质代谢在维持神经元膜完整性、突触信号传导以及神经类固醇合成中的作用至关重要，将脂质组学、转录组学及神经功能检测指标相结合，可以为早期分子紊乱与功能性神经毒性之间的关联提供机制层面的解释。

在本研究中，我们通过非靶向脂质组学和转录组学分析了TBT对斑马鱼胚胎的急性影响，旨在从机制层面揭示脂质变化的规律，并找出可能导致相关通路紊乱的核心基因。此外，通过结合非靶向转录组学和表观基因组学分析的多组学框架，我们找到了可在TBT早期暴露后作为其作用标志物的基因。总体而言，这种多组学分析方法为揭示TBT的毒性作用机制及其潜在的环境风险提供了新的视角，即便是在环境浓度相近的短期暴露情况下也是如此。

章节节选

TBT暴露情况

已有大量研究表明，当暴露于与环境浓度相近的三丁基锡（TBT）浓度范围内（ng·L^-1至μg·L^-1）时，其会改变生物体的脂质组成[34]、[35]，因此我们在这一浓度范围内进行了广泛的检测。本研究的主要目的是评估即使是在短期（24小时）暴露后也可能出现的亚致死性脂质组学变化，从而了解TBT诱导毒性相关的早期脂质通路紊乱及其背后的机制。

简言之，

与TBT暴露相关的差异表达脂质

利用经过特征筛选后的矩阵（1228个特征）构建的ASCA模型显示，TBT暴露会导致显著的脂质组学变化（在排列检验中进行了10000次排列测试，p值=0.0001）。有趣的是，在检测四种不同浓度下的TBT暴露因素时，只有浓度最高的两种（30 nM和100 nM）在排列检验中达到了显著性水平（p值分别为0.0058和0.0024）。关于ASCA分析的更多细节，包括方差分析等内容

讨论

本研究采用了以脂质组学为导向的多组学与神经毒性分析框架，旨在阐明短期（24小时）TBT暴露如何干扰斑马鱼胚胎的脂质代谢、基因调控、神经递质平衡以及行为表现。虽然包括TBT在内的激素干扰化合物会带来严重的生态风险，但为其建立完善的毒理学评估体系依然面临诸多挑战[36]。其中一个主要原因在于目前的评估

结论

本研究表明，短期（24小时）暴露于与环境浓度相近的TBT会干扰斑马鱼胚胎的关键分子过程。受影响最严重的通路包括与脂质代谢和平衡、外源物质应对、氧化应激以及行为调节相关的通路。从转录组学层面对比不同暴露时间（72小时）的情况可见，这些变化的性质在不同暴露时间下基本一致，进一步证实了

CRediT作者贡献说明

Joaquim Jaumot：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、正式分析。Laia Navarro-Martin：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念构思。Prihanik Marlina Widiyanti：可视化、正式分析、数据整理。Marina Bellot：撰写——初稿、方法学、正式分析、数据整理。Cristian Gòmez-Canela：撰写——审阅与编辑，

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在撰写本稿时，作者使用了Grammarly和ChatGPT等工具来提升手稿的语法水平、词汇选择及可读性。在使用这些工具/服务之后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：1）欧盟委员会在H2020-Marie Sk?odowska-Curie Action MSCA-IF-RI-2017项目（参考编号797725-EpiSTOX）下的资助；2）PID2021-122929OB-C33项目资助；3）PID2023-148502OB-C21项目资助；4）由MCIN/AEI/10.13039/501100011033资助的Severo Ochoa CEX2018-000794-S项目资助；5）AMP机构还获得了Severo Ochoa基金会提供的PRE2020-094656号FPI奖学金资助。

Albert Menendez-Pedriza|Janan Gawra|Melissa Faria|Prihanik Marlina Widiyanti|Marina Bellot|Cristian Gòmez-Canela|Demetrio Raldúa|Joaquim Jaumot|Laia Navarro-Martín

西班牙巴塞罗那市08034，Jordi Girona 18-26号，IDAEA-CSIC环境化学系