同时抑制PYCR-1和ALH-6会通过干扰脯氨酸和谷氨酸的代谢以及激活秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中的胰岛素信号通路，从而加剧6-PPD醌的毒性

《Journal of Environmental Sciences》：Simultaneously PYCR-1 and ALH-6 inhibition exacerbates 6-PPD quinone toxicity via disrupting proline and glutamate metabolisms and activating insulin signals in Caenorhabditis elegans

脯氨酸和谷氨酸代谢紊乱介导6-PPDQ诱导的线虫线粒体功能障碍与寿命缩短。

　　

魏王|李云辉|王大勇

中国东南大学公共卫生学院，教育部环境医学工程重点实验室，南京210009

摘要

由脯氨酸合成的谷氨酸可以作为柠檬酸循环中关键中间代谢物的前体。最近，我们观察到在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中，6-PPD醌（6-PPDQ）降低了谷氨酸的含量以及控制谷氨酸合成的alh-6基因的表达。然而，6-PPDQ对脯氨酸合成的可能影响及其与6-PPDQ毒性诱导的关联仍不清楚。在0.1-10 μg/L的6-PPDQ暴露下，脯氨酸的含量进一步降低，同时控制脯氨酸生物合成的pycr-1基因的表达也减少。在6-PPDQ暴露的线虫中，对pycr-1进行RNA干扰（RNAi）处理后，α-酮戊二酸的含量减少，线粒体功能障碍加剧，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH?）的含量下降，线粒体复合物I/II的活性受到抑制，gas-1和mev-1基因的表达也减少。此外，与单独进行RNAi相比，同时对pycr-1和alh-6进行RNAi处理会加剧6-PPDQ的毒性作用，表现为α-酮戊二酸、NADH和FADH?含量的降低，以及线粒体复合物I/II活性和gas-1、mev-1基因表达的抑制。此外，双重RNAi处理还增强了6-PPDQ对线虫寿命的毒性影响，并导致胰岛素配体及其受体基因的上调，以及daf-16及其目标基因的下调。在6-PPDQ暴露后，daf-16的RNAi处理抑制了pycr-1和alh-6基因的表达，这表明pycr-1/alh-6与daf-16之间存在调节反馈回路。我们的研究结果强调了脯氨酸和谷氨酸代谢紊乱在6-PPDQ诱导的线粒体功能障碍和寿命缩短中的作用。

引言

作为用于减少轮胎氧化的抗氧化剂，N-（1,3-二甲基丁基）-N′-苯基-p-苯二胺（6-PPD）与臭氧反应后会转化为6-PPD醌（6-PPDQ）（Hua和Wang，2023；Tian等人，2021）。近年来，6-PPDQ的环境存在、命运及其毒性受到了越来越多的关注（Yi等人，2025）。研究显示，数十μg/L和ng/L的6-PPDQ浓度具有环境相关性（ERCs）（Wan等人，2024）。除了在不同环境中频繁检测到6-PPDQ（尤其是在水环境中，Liang等人，2024；Cao等人，2022），还在人类样本中发现了6-PPDQ，例如尿液中（Deng等人，2024）。在哺乳动物体内，6-PPDQ会积累在肝脏和肺部等器官中，并伴随损伤（He等人，2023）。此外，6-PPDQ暴露还会改变某些代谢过程（Jia等人，2025），这表明代谢紊乱可能与6-PPDQ的毒性诱导有关。

秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）不仅是生命科学研究的模式动物，而且对环境暴露非常敏感（Zhang等人，2025；Wang，2020）。这使得它能够有效检测不同污染物在环境相关浓度（ERCs）下的毒性（Liu等人，2023；Wang等人，2025d）。利用这一模型，研究表明6-PPDQ会损害肠道屏障（Wang和Wang，2024a）、影响生殖腺发育（Liu等人，2025）和神经系统功能（Wang等人，2025a）。此外，6-PPDQ还会缩短线虫的寿命（Wang等人，2025e），这与6-PPDQ通过抑制线粒体功能而损害胰岛素信号通路有关（Hua和Wang，2024，2025c）。同时，6-PPDQ暴露还会扰乱糖原（Wang和Wang，2024b）、葡萄糖（Liu等人，2024）和氨基酸（Wang等人，2025c）的代谢。其中一些代谢过程（如亮氨酸代谢）与6-PPDQ诱导的线粒体功能障碍有关（Wang等人，2025c）。

6-PPDQ的毒性作用是通过损害线粒体复合物（Hua等人，2024）以及降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH?）的含量来实现的，这两种物质主要在柠檬酸循环中生成（Wan等人，2025）。氨基酸对NADH和FADH?生成的贡献之一是生成α-酮戊二酸，这是柠檬酸循环中的一个中间代谢物。脯氨酸这种氨基酸有助于抵御应激带来的不良影响（El Moukhtari等人，2020；Zhang等人，2022）。脯氨酸可以通过形成Δ1-吡咯啉-5-羧酸（P5C）这一中间代谢物转化为谷氨酸（图1a）。在秀丽隐杆线虫中，脯氨酸脱氢酶PRDH-1催化脯氨酸生成P5C，而P5C脱氢酶ALH-6催化P5C生成谷氨酸（Tang和Pang，2016）。P5C的合成受PYCR-1和PYCR-4中的吡咯啉-5-羧酸还原酶调控（Tang和Pang，2016）。我们假设脯氨酸和谷氨酸代谢的紊乱参与了6-PPDQ的毒性作用。最近，我们观察到6-PPDQ降低了谷氨酸的合成（Wang等人，2025b）。在此，我们进一步研究了6-PPDQ对脯氨酸合成的影响，并确定了脯氨酸和谷氨酸代谢在调控6-PPDQ对线粒体功能和寿命影响中的作用。我们的结果强调了6-PPDQ通过同时抑制脯氨酸和谷氨酸的合成而引发线粒体功能障碍的风险。

章节片段

秀丽隐杆线虫（C. elegans）的培养

菌株信息列在附录A表S1中，线虫在Nematode Growth Medium（NGM）培养板上按照Brenner（1974）的方法进行培养。大肠杆菌 OP50在37°C下摇床中培养后作为食物提供给线虫。成年雌雄同体线虫用含有10%次氯酸钠和0.45 mol/L氢氧化钠的裂解液处理以释放卵子（Wang等人，2025f），然后孵育约24小时使其发育为同步的L1阶段

6-PPDQ降低了脯氨酸的含量

0.01 μg/L的6-PPDQ处理后，脯氨酸的含量没有变化（图1b）。然而，0.1-10 μg/L的6-PPDQ处理显著降低了脯氨酸的含量（图1b）。接下来，我们研究了0.1-10 μg/L的6-PPDQ对控制脯氨酸合成和分解代谢的基因表达的影响。在参与脯氨酸合成的基因中，pycr-1的表达受到0.1-10 μg/L的6-PPDQ的影响而降低，而6-PPDQ对pycr-4的表达没有影响（图1c）。

讨论

脯氨酸是一种重要的氨基酸，具有对抗环境压力的积极作用（Hardy等人，2023；Piper等人，2023）。我们首先观察到6-PPDQ暴露抑制了脯氨酸的合成。0.1-10 μg/L的6-PPDQ处理降低了脯氨酸的含量（图1b）。与此同时，编码脯氨酸合成酶的pycr-1基因的表达也降低（图1c）。相比之下，编码脯氨酸分解代谢酶的prdh-1基因的表达未受6-PPDQ的影响

结论

总体而言，我们的研究结果表明，脯氨酸和谷氨酸合成受阻参与了6-PPDQ诱导的线粒体功能障碍和寿命缩短。在6-PPDQ暴露的线虫中，我们观察到脯氨酸含量降低，这与pycr-1基因表达减少有关。对pycr-1进行RNAi处理后，线虫对6-PPDQ诱导的线粒体功能障碍和寿命缩短的敏感性增加。此外，同时对pycr-1和alh-6进行RNAi处理会进一步加剧这些效应

未引用的参考文献

Wang等人，2024c

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CRediT作者贡献声明

魏王：研究工作。李云辉：监督。王大勇：撰写、审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。