《Food and Chemical Toxicology》：Multi-Omics Analysis Reveals Coordinated Epigenetic Dysregulation in Atrazine-Induced Dopaminergic Neurotoxicity
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摘要：阿特拉津是一种广泛使用的三嗪类除草剂，已被证实具有神经毒性，但其导致多巴胺能神经元功能异常的表观遗传机制尚不清楚。本研究旨在探讨miRNA表达失调与DNA甲基化改变是否共同作用于阿特拉津引发的类似帕金森病的神经毒性。雄性斯普拉格-道利大鼠被给予阿特拉津（50毫克/千克/天）
摘要：
阿特拉津是一种广泛使用的三嗪类除草剂，已被证实具有神经毒性，但其导致多巴胺能神经元功能异常的表观遗传机制尚不清楚。本研究旨在探讨miRNA表达失调与DNA甲基化改变是否共同作用于阿特拉津引发的类似帕金森病的神经毒性。雄性斯普拉格-道利大鼠被给予阿特拉津（50毫克/千克/天），持续90天后出现运动和认知功能障碍以及多巴胺能神经元异常，表现为α-突触核蛋白水平升高而酪氨酸羟化酶表达降低。小RNA测序在黑质中发现了72种表达差异的miRNA，这些miRNA与PI3K-Akt、MAPK和Ras信号通路相关。在对6名帕金森病患者和6名匹配对照组的全基因组DNA甲基化分析中，共发现了4,694个甲基化水平异常的位点，其中大多数为低甲基化状态，且这些异常也出现在神经元信号通路中。加权基因共表达网络分析显示，有一个与帕金森病状态高度相关的基因模块（相关系数r = ?0.95，P值<0.001）。多组学整合分析表明CASP3是一个核心调控基因。外部验证也证实了CASP3在帕金森病中的作用（AUC=0.833），分子对接实验则提示阿特拉津可能与CASP3存在相互作用。进一步分析显示，miR-3552的表达上调，可能是CASP3的上游调控因子。这些研究结果表明，阿特拉津引发的神经毒性可能通过miR-3552/CASP3信号轴发挥作用，进而调控细胞凋亡并导致神经元退化。
引言
阿特拉津是全球使用最广泛的三嗪类除草剂之一，因其高效且成本低廉而被广泛用于农业生产[1]。然而，由于其环境持久性及降解缓慢，在土壤和水体中普遍存在，这引发了人们对其长期生态和健康影响的担忧[2]。先前的毒理学研究表明，阿特拉津暴露可引发氧化应激、线粒体功能障碍以及炎症反应，最终导致多巴胺能神经元损伤[3]、[4]、[5]。与这些实验结果一致，流行病学证据也表明，接触阿特拉津会增加患帕金森病的风险[6]、[7]。
帕金森病是全球第二常见的神经退行性疾病，其特征是黑质致密部中的多巴胺能神经元逐渐退化[8]。帕金森病的病理特征包括α-突触核蛋白聚集、线粒体功能障碍以及慢性神经炎症，这些因素最终会导致神经元逐渐丧失、运动功能受损以及认知能力下降[9]、[10]。虽然年龄增长和遗传易感性是重要诱因，但环境毒素也在疾病发展中起着重要作用[11]。尤其是，接触农药和除草剂已被多次证明会增加患帕金森病的风险，这进一步强调了环境因素在帕金森病发展中的关键作用[12]、[13]。不过，除草剂如何导致多巴胺能神经元退化的分子机制目前仍不完全清楚。
鉴于越来越多的证据表明农药暴露与帕金森病有关，表观遗传调控可能成为阿特拉津暴露与多巴胺能神经元退化之间的关键分子联系[14]。在各类表观遗传调控因子中，miRNA和DNA甲基化在神经元发育、突触可塑性以及基因表达调控中发挥着重要作用[15]、[16]。越来越多的证据表明，无论是患者还是实验模型中，异常的miRNA表达和DNA甲基化模式都与帕金森病的进展密切相关[17]、[18]。值得注意的是，已有研究指出，阿特拉津暴露会扰乱斑马鱼和鲤鱼模型中的miRNA表达谱和DNA甲基化模式[19]、[20]、[21]。然而，以往的研究主要关注单一的表观遗传改变，而阿特拉津引发的miRNA表达失调与DNA甲基化变化之间的相互作用机制仍不明确。尤其是，这些表观遗传紊乱是否通过影响细胞凋亡相关通路来导致多巴胺能神经元退化，目前尚未完全阐明。
因此，本研究结合动物模型中的miRNA表达数据与人类DNA甲基化数据，旨在探究阿特拉津引发类似帕金森病神经毒性的分子机制。通过整合miRNA测序、全基因组DNA甲基化分析以及加权基因共表达网络分析，并辅以外部验证，我们确定了与阿特拉津诱导的多巴胺能神经元功能障碍相关的关键表观遗传模块和调控基因。此外，我们还分析了核心调控基因CASP3的上游调控网络，并发现miR-3552可能是调控细胞凋亡相关神经毒性的因子。
章节要点
伦理声明
所有动物实验均获得了汕头大学实验动物伦理委员会的批准（批准号202306008），并且遵循美国国立卫生研究院的实验室动物护理和使用指南进行。人类研究则得到了汕头大学医学伦理委员会的批准（批准号STU202406004），并依照《赫尔辛基宣言》开展。所有参与者在参与研究之前都签署了书面知情同意书。
阿特拉津暴露会导致斯普拉格-道利大鼠出现运动和认知缺陷以及多巴胺能神经元功能障碍
我们对接受阿特拉津处理的斯普拉格-道利大鼠的一系列神经行为参数及相关生物标志物进行了检测。行为分析结果显示，这些大鼠存在明显的运动缺陷，表现为握力显著下降（见图1A），这可能意味着存在神经肌肉功能障碍。开放场实验进一步证实了这一结论，接受阿特拉津处理的大鼠探索行为减弱，表现为移动总距离减少（见图1B），平均
讨论
本研究提供了新的证据，表明长期接触阿特拉津会导致大鼠出现类似帕金森病的运动和认知缺陷，同时伴有多巴胺能神经元功能障碍。更重要的是，我们通过整合多组学分析方法发现，这种神经毒性可能是由协同的表观遗传失调所导致的，包括miRNA表达异常以及广泛的DNA低甲基化现象。这些表观遗传变化会通过细胞凋亡相关通路发挥作用，尤其是通过已确定的miR-3552/CASP3通路
CRediT作者贡献说明
李彦书：文章撰写——初稿撰写、研究指导、方法设计、数据整理。张荣：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、研究指导、资金申请。宁书涵：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、方法设计、数据整理、概念构思。刘政：方法设计
数据可用性
本研究生成的多组学数据已存储在NCBI基因表达组数据库（GEO）中，登录号为GSE336392。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
资金支持
本研究得到了河北省自然科学基金的支持（项目编号H2024206449）。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
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