孕前夫妇短期和长期暴露于环境中的PM2.5及其主要成分与血小板线粒体tRNA-Leu甲基化之间的关系

《Journal of Hazardous Materials》：Short- and long- term exposures to ambient PM2.5 and its major constituents in relation to platelet mitochondrial tRNA-Leu methylation among preconception couples

陈娟|王亚欣|朱佳琪|方俊凯|李鹏辉|郭立雄|吴少伟

中国陕西省西安市西安市西安交通大学健康科学中心公共卫生学院职业与环境健康系，邮编710061

摘要

环境中的细颗粒物（PM_2.5）对全球健康构成显著风险。然而，关于其在备孕期间对线粒体表观遗传改变的潜在影响的研究证据仍然有限。这项横断面观察性研究旨在探讨短期和长期暴露于PM_2.5及其主要成分（包括黑色碳、有机物质（OM）、铵、硝酸盐和硫酸盐）与血小板线粒体tRNA-Leu基因甲基化水平之间的关联。研究纳入了中国天津594对准备怀孕的夫妇。使用焦磷酸测序技术检测了tRNA-Leu的甲基化水平。多变量线性回归和分布滞后线性模型被用来评估空气污染物与tRNA-Leu甲基化之间的累积和滞后特异性关联。研究发现，短期暴露（血液采样前7天的平均值）于有机物质与妻子血小板tRNA-Leu甲基化水平降低之间存在显著关联；长期暴露（血液采样前365天的平均值）于PM_2.5及其所有主要成分也与妻子血小板tRNA-Leu甲基化水平降低相关。滞后效应分析进一步揭示了具有性别特异性的敏感滞后窗口范围：在妻子中，PM_2.5及其主要成分与血小板tRNA-Leu甲基化之间存在显著的负相关，其短期滞后范围为4–6天，长期滞后范围为5–8个月。在丈夫中，短期负相关在2–3天的滞后范围内明显，而未发现显著的长期关联。我们的研究结果强调了血小板线粒体tRNA-Leu甲基化作为空气污染对备孕夫妇潜在影响指标的重要性，强调了在备孕期间减少空气污染暴露的必要性。

引言

环境中的细颗粒物（PM_2.5）及其成分对生殖健康构成严重威胁，尤其是在发展中国家。越来越多的证据表明，暴露于PM_2.5会负面影响人类生殖的多个阶段，降低生育能力，并威胁母亲和婴儿的健康[1],[2],[3],[4]。

活性氧（ROS）诱导的DNA甲基化改变是PM_2.5毒性的核心表观遗传机制[5]。线粒体DNA（mtDNA）甲基化已成为检测氧化污染物暴露的敏感早期生物标志物[6]，因为mtDNA缺乏组蛋白保护，因此极易受到ROS诱导的表观遗传修饰[7],[8]。血小板是一种无核细胞，其生物功能依赖于线粒体，为研究空气污染对mtDNA甲基化的反应提供了一个独特的模型。据报道，短期暴露于PM_2.5会改变血小板mtDNA的特定位点甲基化，这些变化可以介导空气污染与系统健康风险之间的联系[6],[9]。值得注意的是，DNA甲基化是可逆的，可以通过行为和环境干预（例如减少空气污染暴露和采取健康生活方式）来调节[10],[11]，这突显了其在备孕健康预防策略中的潜在作用。

尽管先前的研究已经揭示了空气污染对血小板mtDNA甲基化的潜在影响，但仍存在一些重要的知识空白。首先，大多数现有研究集中在孕妇或一般成年人群上[12],[13]，而备孕夫妇（尤其是丈夫）的研究相对较少。备孕期是一个关键的表观遗传编程窗口，对父母和后代的健康具有持久影响[14]。在怀孕前对夫妇进行调查可以捕捉到较少受妊娠相关生理变化影响的早期表观遗传改变。此外，纳入男性伴侣（即丈夫）有助于探索父亲表观遗传因素对生殖健康的贡献[15]。其次，关于空气污染暴露对特定mtDNA基因甲基化影响的证据仍然有限，特别是对功能重要基因如tRNA-Leu的影响。tRNA-Leu基因编码一种最丰富的线粒体tRNA，在线粒体蛋白质合成和细胞应激反应中起关键作用。tRNA-Leu的甲基化状态与环境暴露引起的氧化应激敏感性密切相关[16]。鉴于线粒体能量供应和氧化还原平衡对生殖细胞成熟、精子运动能力和卵子质量至关重要，tRNA-Leu甲基化的改变可能对备孕期的生殖能力有重要影响[17]。然而，关于PM_2.5及其主要成分暴露对该基因甲基化的影响仍知之甚少，尤其是在备孕夫妇中。第三，此前没有系统性地研究过备孕期间PM_2.5相关mtDNA tRNA-Leu甲基化变化的性别特异性敏感窗口。确定这些窗口对于理解时间敏感性及其对针对性预防策略的指导具有重要意义。

因此，我们的研究旨在探讨中国天津准备怀孕的夫妇短期和长期暴露于PM_2.5及其主要成分与血小板mtDNA tRNA-Leu甲基化之间的关联，并确定敏感的暴露窗口。作为中国北方的典型工业城市，天津在2014年至2016年期间经历了严重的空气污染。具体而言，年均PM_2.5浓度一直很高（2014年为86.9 μg/m3，2015年为71.3 μg/m3，2016年为70.4 μg/m3），高于中国生态环境部报告的全国平均水平（62 μg/m3、50 μg/m3和47 μg/m3 [18],[19],[20]）。天津的这些水平也超过了2012年的中国国家空气质量标准（35 μg/m3）和2021年的世界卫生组织（WHO）空气质量指南（5 μg/m3），为研究空气污染的表观遗传效应提供了具有代表性的环境。通过研究这些由PM_2.5及其主要成分引起的甲基化变化，我们希望了解空气污染对生殖健康的影响，并为制定针对性的预防策略提供依据。

章节摘录

研究人群和样本收集

研究对象来自天津ELEFANT（Environmental and LifEstyle FActors iN metabolic health throughout life - course Trajectories）项目的出生队列（Baby ELEFANT）。该队列包括在天津市政府指定医院接受免费孕前健康检查的已婚夫妇及其新生儿。2015年5月至8月期间，根据便利性原则选取了1,000对夫妇作为研究参与者。

人口统计特征

本研究共纳入了天津ELEFANT队列中的594对备孕夫妇。所有参与者都是在天津市政府指定医院接受免费孕前健康检查的已婚夫妇。他们的基本特征包括年龄、教育水平、职业、BMI、吸烟情况、饮酒情况和被动吸烟情况，详见表1。总体而言，大多数参与者年龄在18–34岁之间，受教育程度为高中，从事体力劳动；

讨论

本研究探讨了PM_2.5及其主要成分与备孕夫妇血小板mtDNA tRNA-Leu甲基化之间的短期和长期关联。我们观察到了明显的性别特异性、时间依赖性和成分特异性的反应模式。妻子对PM_2.5及其成分的表观遗传反应更为明显且持续，而丈夫仅表现出急性、短暂的影响。这些发现凸显了线粒体方面的明显性别差异。

结论

我们的研究利用了天津前瞻性备孕队列的数据，首次系统地评估了短期和长期暴露于PM_2.5及其主要成分与计划怀孕夫妇血小板tRNA-Leu甲基化水平之间的关联。我们发现，暴露于PM_2.5及其主要成分与备孕夫妇的tRNA-Leu甲基化水平呈负相关，并存在明显的性别特异性差异。

环境影响

本研究利用了中国空气污染追踪（TAP）数据库的实时暴露数据和天津ELEFANT（Environmental and LifEstyle FActors iN metabolic health throughout life-course Trajectories）项目的出生队列（Baby ELEFANT）数据，发现PM_2.5及其主要成分与备孕夫妇的mtDNA tRNA-Leu基因甲基化呈负相关，表明其可能是一个敏感的表观遗传效应标志物。

研究伦理批准

本研究已获得天津医科大学伦理委员会的批准（参考编号：TMUhMEC2016022；批准日期：2016年11月15日），如需可提供批准证明/证书。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（42575200, 82504362）、国家重点研发计划（2018YFC1004300, 2018YFC1004301）、中央高校基本科研业务费（xzy012023102）、陕西省博士后研究项目（2023BSHEDZZ09）、中国博士后科学基金资助项目（2023M742775）以及陕西省自然科学基础研究项目的支持。

作者贡献声明

朱佳琪：方法论、数据整理。王亚欣：撰写——初稿、正式分析、数据整理、概念构思。陈娟：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。吴少伟：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。郭立雄：资源获取、资金获取、数据整理。李鹏辉：资源获取、数据整理。方俊凯：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号：42575200, 82504362）、国家重点研发计划（项目编号：2018YFC1004300, 2018YFC1004301）、中央高校基本科研业务费（项目编号：xzy012023102）、陕西省博士后研究项目（项目编号：2023BSHEDZZ09）以及中国博士后科学基金资助项目对本研究的财政支持。