蛋白质共伴侣STI-1在秀丽隐杆线虫（C. elegans）发育过程中暴露于甲基汞时会影响其运动功能

《NeuroToxicology》：The protein co-chaperone STI-1 impacts motor function in C. elegans upon developmental methylmercury exposure

甲基汞发育期暴露通过线粒体功能障碍和氧化应激导致线虫成体运动功能衰退，STI-1基因敲除加剧毒性效应。

陶珂 | 安克·M·图克 | 亚伦·B·鲍曼 | 迈克尔·阿施纳

美国特拉华大学生物科学系，纽瓦克，DE 19716

摘要

甲基汞（MeHg）暴露对健康构成显著的神经毒性风险，尤其是在早期发育阶段。虽然急性MeHg暴露与持续的神经毒性有关，但尚不清楚在幼年时期低水平的MeHg暴露是否以及如何导致大脑功能的长期下降，特别是在晚年衰老过程中。为了解决这个问题，我们使用了遗传学上易于处理的线虫模型C. elegans，在幼虫早期阶段将线虫暴露于10 nM或50 nM的MeHg中24小时。然后在不同成虫阶段评估其运动功能，以评估早期暴露的长期影响。我们假设经过MeHg暴露的老年线虫的运动功能会受损。在人类干细胞神经元模型中，我们发现了STI-1的人类同源蛋白表达的变化。我们进一步假设STI-1蛋白（一种蛋白质质量控制途径中的共伴侣蛋白）会改变早期MeHg暴露的年龄依赖性神经行为效应。在两种运动功能（即在固体表面爬行和在液体中游泳）中，经过幼虫期MeHg暴露的老年线虫的运动速度显著降低。在sti-1敲除动物中，所有成虫阶段的运动速度显著下降；然而，在sti-1敲除的年轻成年动物中，游泳时的运动速度却增加了。MeHg暴露还增加了野生型动物的探索行为，而sti-1敲除动物在这种行为上表现出严重缺陷。sti-1的缺失还导致线粒体对解偶联剂碳酰氰基三氟甲氧基苯肼（FCCP）的反应异常，并在MeHg暴露时增加了活性氧（ROS）的产生。在干细胞神经元模型中，我们也发现了与线虫结果一致的线粒体能量基因途径的变化。这些新发现共同表明，发育期的MeHg暴露会导致老年线虫的运动功能下降。此外，与sti-1敲除相关的线粒体功能障碍加速了运动障碍的发生，这表明遗传易感性和早期有毒物质暴露之间存在协同效应。

引言

甲基汞（MeHg）是一种由水生生态系统中的细菌合成的环境污染物（Lin等人，2021年）。MeHg暴露对食用水生生物的野生动物和人类都构成重大健康风险。食物链顶端捕食者体内的汞含量可能会生物放大，其浓度比自然背景水平高出几个数量级（Endo等人，2003年），从而对依赖这些动物作为蛋白质来源的人类构成潜在的健康风险（Endo和Haraguchi，2010年）。高水平的MeHg暴露会对多个器官造成损害，其中大脑最为敏感，尤其是在发育期间（Amin-zaki等人，1978年）。虽然高水平的MeHg暴露会导致大脑功能退化，但低水平暴露的长期后果仍不清楚。

MeHg暴露会破坏多种蛋白质质量稳态机制（Hiraoka等人，2017年；Takanezawa等人，2019年；Takanezawa等人，2021年）。参与运动功能的神经元容易受到正常蛋白质稳态破坏的影响（Hiraoka等人，2021年；Nomura等人，2022年）。蛋白质伴侣蛋白STI-1作为共伴侣蛋白，协助新合成的蛋白质折叠和错误折叠蛋白质的重新折叠（Song等人，2009年）。STI-1是人类应激诱导磷酸蛋白1（STIP1）的同源蛋白。STI-1与其他蛋白质伴侣蛋白（包括HSP70和HSP90）协同作用，共同促进蛋白质折叠的准确性（Wegele等人，2006年）。STI-1的功能丧失会损害神经元结构，并使神经元对MeHg的毒性更加敏感，即使在野生型神经元中不会引起毒性效应（Ke等人，2020a）。作为共伴侣蛋白，STI-1还对于将前体蛋白从核糖体运输到线粒体以及维持线粒体蛋白质组的完整性和线粒体健康至关重要。在酵母细胞中，sti-1的缺失导致线粒体形态从分支和网络状变为碎片化和聚集状，线粒体膜和基质蛋白的稳态水平不足（Hoseini等人，2016年）。

C. elegans是一种遗传模型，越来越多地被用于研究金属毒理学中的基因-环境相互作用（Avila等人，2012年；Martins等人，2022年）。尽管雌雄同体C. elegans只有302个神经元，但它能够完成许多对生存至关重要的行为功能。包括在固体表面爬行和游泳在内的运动行为是由95个体壁肌肉细胞的收缩驱动的。在急性MeHg暴露模型中，我们发现幼虫阶段的1小时暴露显著缩短了sti-1敲除线虫的寿命（Ke等人，2022a）。我们之前已经证明，C. elegans的成虫游泳行为会受到低水平发育期MeHg暴露的影响（Ke等人，2021年）。此外，与衰老相关的基因改变了MeHg诱导的行为效应（Ke等人，2022b）。作为持续研究低水平MeHg毒性遗传修饰因子的努力的一部分，我们假设sti-1基因调节了C. elegans中发育期MeHg暴露的毒性效应。

源自hiPSC的神经元培养物可以重现人类大脑皮层发育的早期阶段，并为MeHg诱导的神经毒性的机制研究提供了平台（Neely等人，2021年；Prince等人，2019年）。我们之前曾使用该模型来测试发育期MeHg暴露的持久效应（Neely等人，2021年）。在当前研究中，通过将源自hiPSC的体外模型与C. elegans发育暴露模型结合，我们发现STI-1的人类同源蛋白和C. elegans的STI-1都参与了MeHg的长期效应。MeHg暴露会诱导ROS的产生并改变线粒体膜电位（Polunas等人，2011年）。为了探索STI-1与这两种机制在MeHg诱导的神经毒性中的机制联系，我们还研究了sti-1敲除线虫的线粒体膜电位和ROS。我们进一步证明，MeHg诱导的效应是由STI-1功能受损导致的线粒体健康问题引起的。

部分内容

C. elegans菌株

线虫菌株，包括野生型N2菌株和sti-1敲除（KO）菌株，由Caenorhabditis遗传中心（CGC）提供。sti-1敲除菌株（VC2559 sti-1(ok3354)的第四外显子部分缺失（缺失大小=336 bp），这完全移除了一个DP结构域和终止密码子。DP结构域是维持特定蛋白质-蛋白质相互作用中TPR结构域正确取向的支架。线虫在NGM培养基上培养。

结果

我们之前已经证明，发育期MeHg暴露会导致源自hiPSC的皮层培养物中细胞类型的数量发生微妙但显著的变化，并且在MeHg不再存在于培养物中后的许多天内仍可观察到MeHg依赖性的差异基因表达（Neely等人，2021年）。为了确定MeHg暴露是否会导致STIP1表达（STI-1的人类同源蛋白）的持久变化，我们检查了我们已发布的单细胞测序数据集（GSE169751）。

讨论

在这里，我们发现早期幼虫阶段的MeHg暴露会降低后期生命阶段的爬行和游泳速度，而sti-1敲除则严重损害了爬行和游泳行为。此外，MeHg暴露增加了野生型动物的探索行为，但未影响sti-1敲除动物。低水平的MeHg暴露还增加了野生型线虫的线粒体膜电位和ROS水平。

利益冲突

亚伦·B·鲍曼担任《NeuroToxicology》杂志的副主编和INA-19 VSI的客座主编，但他没有参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的同行评审由《NeuroToxicology》主编Pamela J. Lein独立处理。

作者贡献

研究构思和设计：TK、AMT、ABB和MA；数据收集：AMT和TK；结果分析和解释：TK、AMT、ABB和MA；手稿起草：TK、AMT、ABB和MA

资助

这项工作得到了美国国家环境卫生科学研究所（NIEHS）对MA和ABB的支持（R01ES007331）、K99奖项对AMT的支持（K99 ES036290）以及美国国家老龄化研究所（NIA）对ABB的支持（R01 AG080917）。部分菌株由CGC提供，CGC由NIH研究基础设施项目办公室（P40 OD010440）资助。

CRediT作者贡献声明

陶珂：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念构建。亚伦·B·鲍曼：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念构建。安克·M·图克：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。