《Food and Chemical Toxicology》：Study on the effects of gestational arsenic exposure on the developmental toxicity of brain tissue in mice offspring using network toxicology and RNA-seq
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本研究针对孕期砷暴露导致子代神经发育毒性机制不明的难题，通过整合RNA测序与网络毒理学方法，构建了lncRNA-miRNA-mRNA竞争性内源RNA调控网络。研究发现砷暴露通过破坏钙信号通路、神经活性配体-受体相互作用及突触小泡循环等关键通路，诱发子代焦虑抑郁样行为，为阐释砷发育神经毒性提供了新视角。
在全球范围内，抑郁症和焦虑症是最常见的精神疾病，给社会带来沉重的疾病负担。令人担忧的是，环境污染物特别是重金属暴露，已被证实是诱发精神疾病的重要风险因素。其中，无机砷作为一种广泛存在的环境污染物，能够穿透胎盘屏障，对胎儿神经发育产生严重威胁。然而，孕期砷暴露究竟如何破坏子代大脑的精细发育程序，导致焦虑和抑郁等行为异常，其分子机制至今尚未完全阐明。
为了揭开这一谜团，来自包头医学院公共卫生学院的研究团队在《Food and Chemical Toxicology》上发表了一项创新性研究。他们独辟蹊径，将高通量转录组测序与系统性的网络毒理学分析相结合，首次构建了孕期砷暴露子代脑组织中的竞争性内源RNA调控网络，深入揭示了砷诱发神经发育毒性的新颖分子机制。
研究人员主要运用了几项关键技术：通过给孕鼠饮用含0.5 ppm亚砷酸钠的水建立孕期砷暴露动物模型；在子代出生后30天进行开放场地、强迫游泳和悬尾测试等行为学评估；在子代出生1天时采集脑组织进行RNA测序分析；利用网络毒理学方法预测砷与焦虑抑郁的共同作用靶点；构建lncRNA-miRNA-mRNA ceRNA调控网络；通过GO和KEGG数据库进行功能富集分析；使用qRT-PCR对关键分子进行实验验证。
3.1. 子代焦虑和抑郁样行为的增加与产前砷暴露显著相关
行为学实验结果表明，与对照组相比，砷暴露组的子代小鼠在开放场地测试中停留在边缘区域的时间显著延长，表现出明显的焦虑样行为。在强迫游泳和悬尾测试中，砷暴露组小鼠的不动时间也显著增加，显示出典型的抑郁样行为。这些行为异常在雌雄子代中均一致出现，证实了孕期砷暴露确实会导致子代出现情感行为障碍。
3.2. 子代脑组织转录组改变与产前砷暴露显著相关
3.2.1. 胎鼠脑组织差异基因表达分析
RNA测序结果显示，砷暴露导致子代脑组织出现广泛的转录组改变：共鉴定出1163个差异表达mRNA，69个差异表达miRNA和368个差异表达lncRNA。这些差异表达的分子构成了砷神经毒性的分子基础。
3.2.2. 竞争性内源RNA共表达网络分析
研究人员构建了以mmu-miR-342-5p、mmu-miR-92a-2-5p、mmu-let-7b-3p等关键miRNA为核心的ceRNA调控网络，该网络包含了262个DElncRNA和608个DEmRNA，形成了一个复杂的转录后调控体系。
3.2.3. 竞争性内源RNA网络的生物学富集分析
功能富集分析显示，差异表达基因显著富集于突触结构组成、膜电位调节、神经递质运输等神经相关功能。KEGG通路分析进一步表明，钙信号通路、神经活性配体-受体相互作用、cAMP信号通路等与神经发育和功能密切相关的通路受到显著影响。
3.3. 亚砷酸钠的网络毒理学分析
3.3.1. 亚砷酸钠诱导焦虑和抑郁作用的靶点识别
通过网络毒理学分析，研究人员识别出266个砷暴露与焦虑抑郁共同作用的潜在靶点基因，这些基因可能在砷诱发情感障碍中发挥关键作用。
3.3.2. 蛋白质-蛋白质相互作用网络的构建和核心靶点筛选
蛋白互作网络分析确定了ESR1、PTGS2、MMP9、NFKB1等13个枢纽基因，这些基因在转录调控、神经炎症信号和突触可塑性等方面具有重要功能。
3.3.3. 核心靶点的富集分析：功能和通路视角
富集分析显示，核心靶点主要涉及钠离子跨膜转运、神经活性配体-受体相互作用、钙信号通路等生物学过程和信号通路。
3.4. mRNA/转录因子分析和富集分析
整合分析发现Grin1、Chrm2、Slc6a11等18个关键重叠靶点，这些基因在神经传递和突触功能中扮演重要角色。进一步的富集分析表明，这些靶点显著富集于神经活性配体-受体相互作用、钙信号通路、突触小泡循环等与情感行为密切相关的通路。
3.5. 候选基因的逆转录聚合酶链反应表达分析
qRT-PCR验证实验证实了RNA测序结果的可靠性，关键基因如Chrm2、Grin1、cacna1B等的表达变化与测序结果一致，进一步支持了ceRNA网络调控在砷神经毒性中的作用。
综合讨论表明，这项研究不仅证实了孕期砷暴露会导致子代出现焦虑抑郁样行为，更重要的是通过系统生物学方法揭示了其背后的分子机制。研究发现，砷暴露通过破坏ceRNA网络调控，影响Grin1、Chrm2、Htr5a等关键基因的表达，进而干扰钙信号、cAMP信号、突触传递等重要神经功能通路，最终导致神经发育异常和行为障碍。
该研究的创新之处在于首次将ceRNA网络概念引入砷发育神经毒性研究领域，提供了从非编码RNA角度理解环境污染物神经毒性的新视角。研究所构建的调控网络不仅有助于理解砷毒性的分子机制，也为寻找早期生物标志物和干预靶点提供了重要线索。随着环境污染物对神经发育影响日益受到关注，这种整合多组学数据和计算生物学的方法，将为预防和治疗环境因素导致的精神疾病开辟新的途径。
