科研 | JAMA子刊 | 加州大学河滨分校Prue Talbot教授：三手烟可以通过刺激细胞破坏呼吸系统上皮细胞的基因表达 / 四六文摘

编译：冬日暖阳，编辑：十九、江舜尧。

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导读

三手烟（THS）是三手香烟烟雾（燃烧的香烟和呼出的主要烟雾）中的化学物质的一部分，它会附着在室内并在吸烟发生后持续存在。THS中的化学物质会累积并发生反应，不吸烟者可能在数月甚至数年内都会接触接触到它。许多THS化学物质是有毒的挥发性和半挥发性有机化合物，其中2-4尼古丁是THS中主要的化学物质，具有表面高亲和力，并且可以与周围的亚硝酸反应形成烟草特有的亚硝胺，这其中一些是致癌物。THS中尼古丁衍生的亚硝胺包括4-（甲基亚硝胺基）-1-（3 -吡啶基）-1-丁酮和N-亚硝基异烟碱（5,6）也在二手烟中发现，并与肺癌的发展有关。臭氧还可以与尼古丁反应形成甲醛，由于THS中存在这些和其他有害化学物质，因此要了解THS暴露与人体健康之间是否存在关联，尤其是对不吸烟者而言。先前的研究证明人类细胞系暴露于THS提取物24小时后会增加DNA链断裂和氧化性DNA损伤。当用THS提取物处理时，小鼠神经干细胞会发生起泡，破碎，细胞骨架破坏和空泡化。二手烟还与应激诱导的线粒体过度融合（SIMH）相关，丙烯醛已被确认为是一种可抑制细胞增殖的THS化学品。在一项使用雄性生殖细胞的代谢组学研究中，THS暴露与几种分子途径的下调相关，包括核酸代谢和氨代谢，以及谷胱甘肽代谢上调。此外，二手烟还与小鼠的不良健康影响相关。将三周大的老鼠关在装有THS浸渍的织物和被褥的笼子中六个月后，与对照组相比，肺组织中的炎性细胞因子增加，伤口愈合受损，并且活动过度。成年老鼠表现出胰岛素抵抗与THS相关的氧化应激的后果，并显示血糖水平升高，血清胰岛素水平升高和内脏脂肪堆积。在长期暴露的小鼠中观察到骨骼肌的氧化应激和过氧化氢的蓄积以及过氧化氢酶活性低。暴露于THS后，新生小鼠的嗜酸性粒细胞明显增多，血小板量增加，血细胞比容降低，平均细胞体积减少，而成年暴露小鼠的B细胞百分比显着增加，而髓样细胞减少。消除THS可能很困难，因为即使在空缺2个月后，它仍然存在。尽管这些先前的研究表明人类有接触THS的风险，但尚未研究这种接触对人类的分子效应。这项研究的目的是评估吸入THS化学品对人类基因表达的影响。

论文ID

原名：ExperimentalAcute Exposure to Thirdhand Smoke and Changes in the Human Nasal EpithelialTranscriptome: A Randomized Clinical Trial

译名：三手烟可以通过刺激细胞破坏呼吸系统上皮细胞的基因表达

期刊：JAMA NetworkOpen

发表时间：2019.6.28

通讯作者： Prue Talbot

通讯作者单位：加州大学河滨分校

DOI号：10.1001/jamanetworkopen.2019.6362

实验设计

选取4组志愿者，分成处理组和对照组，在暴露于清洁空气或THS 3小时之前和之后，收集志愿者鼻上皮细胞，进行RNA测序，并分析基因的差异表达（DEG），从而进行生物信息学分析（图1）。

图1：流程图

结果

暴露于THS后人鼻上皮细胞基因表达表达发生改变

选取年龄27至49岁，无慢性疾病、不吸烟的4组健康女性。第一组接受清洁空气暴露，第二组接受第二次暴露；因此，研究者无法确定顺序对RNA表达的影响。在处理RNA测序读数后，分析数据以确定暴露于清洁空气（1组vs 2组）或THS（3组vs 4组）的组中的基因表达是否存在差异。当受试者暴露在干净空气中时发现的2个下调基因的绝对倍数变化分别为8.2和8.7。在暴露于清洁空气的组中，没有基因显著上调。由于这些结果表明，佩戴口罩3.5小时和吸入洁净空气对基因表达没有显著影响，因此没有对洁净空气进行进一步的研究。与暴露前相比，暴露后采集的鼻样本具有显著的DEG数，共有382个基因显著上调（FDR<0.1），7个基因下调。上调基因的对数2倍变化范围为2-7，下调基因的对数2倍变化范围为2-9。这些数据表明，在相对较短的时间内吸入THS可显著改变人类鼻上皮中的基因表达。

基因GO富集分析

试验对上调的DEGs进行GO富集分析，以确定与THS相关的生物功能。试验分析确定了11种功能在生物过程中富集，13种功能在细胞成分中富集，1种功能在分子功能中富集。所有过程均显著丰富（q <0.05）。暴露于THS的受试者的大多数受影响的生物过程和细胞成分涉及线粒体功能或RNA代谢。Top-GO生物过程术语包括核糖核蛋白复合物生物发生过程（GO:0022613）、细胞呼吸（GO:0045333）、呼吸电子传输链（GO:0022904）和线粒体ATP合成耦合电子传递过程（图2A）。剩下的大部分生物过程包括氧化磷酸化相关功能，最丰富的GO细胞成分包括线粒体蛋白复合物（GO:0098798）、线粒体膜部分（GO:0044455）、核糖体亚基（GO:0044391）、线粒体内膜（GO:0005743）（q = 7.21 × 10−6）、呼吸链（GO:0070469）、大核糖体亚基（GO:0015934），和呼吸链复合体（GO:0098803）（图2B）。在这个实验组中，没有发现下调基因的富集GO项，很可能是因为这组基因的数量很少的原因。

图2：暴露于三手烟中的人类鼻上皮细胞的差异表达基因的分析

对THS暴露后升高的DEGs进行了进一步富集分析。这项分析产生了25条显著富集的途径。前6个途径（图2C）包括柠檬酸循环（R-HSA-1428517）、呼吸电子传递（R-HSA-611105）、翻译（R-HSA-72766）、线粒体蛋白导入（R-HSA-1268020）、mRNA剪接小途径（R-HSA-72165）和核苷酸切除修复（R-HAS-5696398）。

表1：暴露于三手烟后的影响的代谢途径

表2：疾病和功能注释

Pathway分析

在暴露于THS的组中，还使用上调的基因进行了pathway途径分析。确定的主要途径包括Sirtuin信号传导途径，EIF2信号传导，线粒体功能障碍和氧化磷酸化（表1）。IPA中鉴定的某些途径与使用Reactome富集分析所鉴定的那些途径重叠，包括线粒体相关的途径和DNA修复相关的途径。确定的主要毒理学途径主要包括与线粒体活性有关的过程，例如线粒体功能障碍，线粒体和线粒体膜的跨膜电位增加，以及线粒体和线粒体膜的通透性降低等。通过IPA鉴定了THS暴露后与疾病和功能的DEG相关（表2）。这些功能包括减少细胞死亡和增加细胞活力，同源重组和细胞增殖等。

图4. 概述人鼻上皮细胞对三手烟反应的示意图

结论

总而言之，这是第一个证明THS与人类基因表达之间的关联研究。结果表明，THS诱导后差异表达基因共389个，涉及细胞应激诱导的线粒体过度融合、细胞存活途径相关（图3），例如DNA修复、线粒体内膜、呼吸电子传递链、氧化应激等途径。如果不对此状态加以控制，这些基因差异表达有可能引起细胞死亡。该研究为医生治疗暴露于THS的患者以及将来制定有关治理被THS污染的室内环境的法规提供了重要的基础。

总结

本研究表明仅仅被动吸入三手烟3个小时，就可以显著改变不吸烟者鼻上皮细胞的基因表达，从而影响线粒体活动损害DNA，其造成的长期影响可能导致癌症的主要原因之一。这并不是危言耸听，虽然仅接触三手烟3个小时并不可能导致癌症，但长期暴露于三手烟环境中将对健康产生影响。二手烟、三手烟对我们的身体健康存在很大威胁，但是我们对其潜在的健康危害知之甚少。有些家庭中父母老人都在吸烟，殊不知这将对孩子（尤其是婴幼儿）造成极大的危害。尼古丁等化学物质可以吸附在衣服上面、家具、墙面上，并且长时间不会降解，不在家人朋友面前吸烟并不意味着，这就不会对他们造成伤害，也不意味着他们可以躲避伤害。通过本文的研究可以明确的告知吸烟的朋友，珍爱生命，远离烟草。

2 重磅综述 | Cell：非编码RNAs在肿瘤学中的作用（IF=36.216）

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