《Next Research》：Toxicogenomics of rare earth elements: An exploratory analysis focusing on humans and biodiversity
编辑推荐：
稀土元素（17种）的化学、生物及毒理特性分析显示，52.9%低毒但缺乏基因毒性数据，通过比较毒基因组学数据库发现其可能相互作用367个基因（如CACNA1G、HMOX1等），涉及癌症、代谢疾病等多种病理过程，强调需加强稀土元素毒性研究。
乔尔·亨里克·埃尔万格（Joel Henrique Ellwanger）|玛丽娜·齐利奥托（Marina Ziliotto）|若泽·阿图尔·博戈·奇耶斯（José Artur Bogo Chies）
南里奥格兰德联邦大学（Universidade Federal do Rio Grande do Sul，UFRGS）遗传学系免疫生物学与免疫遗传学实验室，遗传学与分子生物学研究生项目（PPGBM），巴西南里奥格兰德州阿雷格里港
摘要
“稀土”这一术语通常用来指代对生产电池、电动汽车和各种电子设备至关重要的化学元素。由于对稀土元素（REEs）需求的不断增长，世界各地的采矿活动规模也在不断扩大，这引发了人们对稀土元素污染对人类健康和生物多样性影响的担忧。然而，关于稀土元素毒性的信息非常有限，尤其是对其对基因组的影响。在此背景下，我们分析了以下稀土元素的化学、生物学、毒理学和遗传毒性数据：钪（Sc）、钇（Y）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pr）、钐（Sm）、欧镥（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。研究发现，大多数稀土元素（52.9%）的毒性较低，但相关遗传毒性数据十分有限。通过使用比较毒基因组学数据库（Comparative Toxicogenomics Database），我们发现稀土元素可能与367个不同物种的基因（例如CACNA1G、HMOX1、IL6、TGFB1）发生相互作用。基因本体分析表明，这些基因参与了多种生物过程和不同细胞器中的分子功能。此外，这些基因还可能影响癌症、泌尿生殖系统疾病、代谢紊乱等病症的风险或发病机制。除了证明许多稀土元素可通过基因-化学相互作用干扰生物过程外，本研究还强调了稀土元素生物学数据的匮乏，指出了在人类世背景下迫切需要加强对这些元素毒理学研究的必要性。
引言
稀土元素（REEs）包括镧系金属，共有15种元素，原子序数在57至71之间（镧、铈、镨、钕、钷、钐、欧镥、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥），以及钪（Z=21）和钇（Z=39），它们都属于元素周期表的第3族。钪（在水溶液中）和钇的地球化学行为与其他稀土元素相似，因此也被归入这一组。稀土元素还具有共同的物理特性，如高导电性[[1], [2], [3]]。
与“稀土”这一名称所暗示的相反，这些元素在岩石圈中分布广泛，通常在同一矿物中可以同时找到多种稀土元素。实际上，如果仅从分布和/或丰度来看，稀土元素不应被视为稀有元素。例如，铈在地壳中的含量甚至超过了铅（Pb）。之所以称为“稀土”，是因为直到20世纪50年代，这些元素主要被当作“实验室奇观”，主要是因为镧系元素之间的化学性质过于相似，难以分离其纯化合物。此外，在19世纪，稀土元素最初仅在瑞典的少数地区被发现[1,2]。
如今，稀土元素被广泛应用于汽车催化、石油裂解、抛光、玻璃生产、电池用金属合金、磁体、发光材料、高强度陶瓷和电介质等产品及工艺中。这些产品和工艺的应用领域非常广泛，主要惠及电子和能源转型产业。例如，磁体被用于制造硬盘和风力涡轮机；发光材料则应用于荧光灯、激光器和LED中；金属合金对于生产电动汽车用电池至关重要[1]。稀土元素在医学领域也有创新应用，例如氧化铈和氧化钇具有潜在的神经保护作用[4]。
某些微生物物种（如Methylacidiphilum fumariolicum）中也存在稀土元素的生物作用，它们对细菌生长和甲醇代谢至关重要[[5], [6], [7], [8]]。来自动物和人体样本的数据表明，某些稀土元素（如镧、铈、镨、钕、钇）的低水平暴露可能与抑郁症风险增加有关，这表明某些稀土元素可能对维持健康具有重要作用[9]。然而，这些数据仅具有提示性，稀土元素在人体中的具体生物学作用仍需进一步研究。
尤其是高剂量下，稀土元素对人类、动物和生态系统具有毒性[10], [11], [12]。人类接触稀土元素的途径包括医源性暴露、职业暴露或环境暴露[13]。不当的采矿行为以及监管不力会导致生态系统受到稀土元素的污染[1]。随着新兴技术需求的增长，稀土元素已在全球范围内广泛扩散[14], [15], [16]，甚至到达了南半球那些原本被认为原始且保护良好的偏远寒冷地区，从而使生态系统和野生动物（如海豹和企鹅）面临潜在的不良影响[17], [18], [19], [20]。通过环境污染和进入食物链，稀土元素可通过吸入、皮肤接触和摄入途径对人体造成危害，多项研究指出它们对呼吸系统、心血管系统、神经系统、生殖系统、骨骼系统和消化系统的毒性[12]。在分子和细胞层面，稀土元素可诱导活性氧（ROS）的产生、DNA损伤、细胞死亡[21]，并影响端粒长度[22]。最近的研究表明，接触稀土元素混合物会导致人体线粒体和基因损伤[23]。稀土元素还对生物多样性产生负面影响，有证据表明它们会在动物组织中积累[24]，并改变植物物种的代谢过程[25]。大量证据表明，稀土元素会导致多种动物物种出现生化、组织病理学、血液学、病理学和代谢方面的改变[14]。这些对人类和生物多样性的影响很可能与其改变基因表达和生物网络的能力有关[26], [27,28]。
尽管有大量证据表明稀土元素具有毒性，但关于这些元素与DNA之间的物理和功能相互作用的信息仍然十分有限。鉴于全球对稀土元素及其对人体、动物和生态系统毒性的关注日益增加，本研究采用了毒基因组学方法来探讨稀土元素的遗传效应，强调了这些元素的毒性潜力，并指出了研究中的空白之处。
稀土元素的化学、生物学、毒理学和遗传毒性数据清单
本研究基于我们团队之前的研究（如Ellwanger等人[29]和Ziliotto等人[30]）所采用的毒基因组学方法，分析了被称为稀土元素的17种元素。首先，我们整理了每种元素的化学、生物学、毒理学和遗传毒性信息，以收集有关稀土元素生物学活性的基本数据。
稀土元素的化学、生物学、毒理学和遗传毒性数据
