陳聯國,唐麗珠,白雅琛
(中國科學院 淡水生態與生物技術國家重點實驗室;水生生物研究所,武漢 430072)
全氟辛烷磺酸鹽(Perfluorooctanesulfonate,PFOS)具有很好的(熱、化學和生物)穩定性,并且疏水疏油,從20世紀中葉開始就被廣泛應用于泡沫滅火劑、表面活性劑、廚具不粘涂層、速食品包裝等多種工業和生活用品.然而,PFOS進入環境介質后,持久性長、生物蓄積性高、毒性大,已于2009年被斯德哥爾摩公約列為環境持久性有機污染物,在全球逐步禁止其生產和使用[1].此后,為了應對市場需求,碳鏈較短、生物富集性相對較小的全氟丁烷磺酸(Perfluorobutanesulfonate,PFBS)作為PFOS的替代物,開始規模化生產和使用,導致其環境濃度逐漸增高.據報道,湖北省湯遜湖水中PFBS質量濃度高達8.0 μg/L[2];新加坡一處垃圾填埋場的滲濾液中也檢測到約1.9 μg/L的PFBS[3].另外,多種生物體中也發現高濃度PFBS,如湯遜湖鯽魚體內PFBS的生物富集系數為1 L/kg[2];LAM等[4]在2002至2014年的連續監測中也發現,鯨類肝臟內PFBS質量濃度逐年增長,并已漸漸替代PFOS,成為主要污染物.PFBS進入環境后不斷積累,對水生生物的健康產生威脅.SANT等[5]的研究結果表明PFBS暴露能干擾胚胎發育、脂質代謝相關基因表達和胰腺器官形成.PFBS還能嚴重損害海洋青鳉的神經視網膜功能[6],引起甲狀腺及生殖內分泌系統紊亂[7-9],并且能夠通過睪丸的甲基化標記遺傳給子代,從而影響胚胎生長和發育[10].然而,目前PFBS對水生生物甲狀腺內分泌系統的影響還缺少深入研究.
益生菌(Probiotics)是一類對宿主健康有益的活性微生物的總稱,它們能夠定植于腸道,調節腸道菌群組成和代謝,改善宿主腸道微生態平衡,發揮確切的健康功效.例如,鼠李糖乳桿菌ATCC 7469對虹鱒魚生長性能、肉質和免疫反應有改善作用[11].DAVIS等[12]發現攝入植物乳桿菌能減輕斑馬魚的焦慮行為.對環境污染物引起的生物體損傷,益生菌也表現出一定的調節作用.例如,ZHAI等[13]在脫脂牛奶中添加植物乳桿菌CCFM8610每天對小鼠進行灌胃,發現其能減弱鎘誘導的炎癥癥狀.同時,鼠李糖乳桿菌能緩解PFBS對斑馬魚造成的脂質代謝紊亂[14]、視黃醇代謝失調[15]以及神經毒性損傷[16-17].當益生菌與PFBS共暴露時,益生菌能否對PFBS引起的水生生物甲狀腺內分泌系統的干擾造成影響,二者的聯合效應如何還未可知.因此,本研究將成年斑馬魚暴露于含有0、10和100 μg/L PFBS的養殖水中28 d,每天投喂添加或不添加益生菌(鼠李糖乳桿菌)的飼料,通過測定親代下丘腦-垂體-甲狀腺軸關鍵基因,以及親代大腦、血液和子代胚胎中甲狀腺激素(Thyroid Hormones,TH)水平的變化情況,探究PFBS與益生菌單獨及共同暴露對斑馬魚甲狀腺內分泌的影響及其機制,為深入研究PFBS毒性效應和尋找毒性緩解措施提供參考.
PFBS(質量分數>98.0%)購自日本東京化學工業公司.使用二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide,DMSO;質量分數>99.0%,美國Sigma-Aldrich公司)做溶劑配制PFBS母液.TRIzol購自美國Invitrogen公司;第一鏈cDNA反轉錄試劑盒和實時熒光定量PCR試劑盒均購自上海翊圣生物科技有限公司;蛋白濃度測定試劑盒購自碧云天生物技術有限公司;甲狀腺激素酶聯免疫分析試劑盒購自美國Cayman公司.其他所用試劑均為分析純.主要儀器有離心機(德國Sigma公司);精密天平(美國Mettler Toledo公司);多功能微孔板檢測系統(英國Molecular Devices公司);水平電泳儀(北京六一生物科技有限公司);Nanodrop 2000超微量分光光度計(美國DeNovix公司);T100 Thermal Cycler PCR儀(美國Bio-Rad公司);CFX384 Touch實時熒光定量PCR儀(美國Bio-Rad公司).
實驗用魚為斑馬魚(Danio rerio)野生型品系(AB),由中國科學院水生生物研究所提供.斑馬魚在生物炭過濾的全曝氣自來水的半靜態系統中培養,環境溫度為28±0.5 ℃,光照周期為14 h(L)∶10 h(D).斑馬魚馴化2周后,將雌雄各20尾隨機分配到30 L玻璃缸(含20 L養殖水)中進行不同質量濃度(0、10和100 μg/L)的PFBS暴露,并分別飼喂添加或不添加鼠李糖乳桿菌GG凍干粉(108cells/g,Culturelle,Italy).整個實驗共6組,每組設置3個平行(n=3).利用DMSO配制PFBS母液,每缸暴露液中DMSO體積分數小于0.001%,并每日更換暴露液.暴露結束前一周開始,每天收集斑馬魚胚胎,并用紙巾吸干表面水分,10顆胚胎合并在1個離心管中(n=3)進行稱量.暴露結束后,記錄每條斑馬魚體長和體質量,并收集其大腦、血液和肝臟樣品.
PFBS單獨或與益生菌共暴露結束后,將每個暴露組收集的10條同性魚的尾靜脈血樣、5條同性魚的大腦組織和50顆胚胎(n=3),根據試劑盒說明書,使用多功能微孔板檢測系統測定包括三碘甲狀腺原氨酸(Triiodothyronine,T3)和四碘甲狀腺原氨酸(Tetraiodothyronine,T4)的甲狀腺激素水平.
將每個暴露組收集的5個大腦組織、5個肝臟組織作為一個重復(n=3),利用TRIzol試劑提取總RNA.用質量分數為1%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop 2000超微量分光光度計測定RNA樣品的完整性、純度和質量濃度.按照試劑盒說明書合成cDNA并進行實時熒光定量PCR分析.將核糖體蛋白18(rpl8)作為看家基因,使用2-ΔΔCT方法計算靶基因的轉錄水平,并將其歸一化為rpl8的轉錄水平.
實驗結果用平均值±標準誤表示.使用SPSS 22.0軟件進行統計分析.各組實驗數據均進行正態性(Shapiro-Wilk法)和方差齊性(Leven法)檢驗.采用單因素方差分析(ANOVA)來確定組間的顯著差異,并進行post hoc中LSD檢驗.當數據不滿足正態分布或方差不齊時,將數據進行對數轉換后再做單因素方差分析.如數據對數變換后仍不能滿足正態性和方差齊性時,采用非參數Kruskal-Wallis單因素方差分析來確定組間差異是否顯著,并進行Dunn-Bonferroni post-hoc比較.P<0.05為統計顯著差異的閾值,*P<0.05、**P<0.01和***P<0.001表示暴露組與對照組之間存在顯著差異,#P<0.05、##P<0.01和###P<0.001表示共暴露組與相應PFBS單獨暴露組之間存在顯著差異.
實驗結束后,測量斑馬魚體長和體質量,觀察PFBS單獨或與益生菌共暴露對斑馬魚生長的影響.結果顯示,當暴露于10和100 μg/L PFBS時,雄魚體長顯著增加,但添加益生菌的共暴露時,體長沒有明顯變化(表1).然而,益生菌與100 μg/L PFBS共暴露時,雄魚體長與PFBS單獨暴露組相比,反而顯著減小,趨向對照水平.在體質量上,10 μg/L PFBS單獨暴露對雄魚體質量沒有顯著影響,而100 μg/L PFBS則顯著增加雄魚體質量(表1);PFBS與益生菌共暴露不影響雄魚體質量,但益生菌的添加顯著降低了100 μg/L PFBS誘導的體質量增加(表1).CHEN等[7]的研究結果與本研究相反,他們發現PFBS暴露后海洋青鳉雄魚體長明顯縮短、體質量顯著降低,物種差異可能是兩項研究結果不同的原因.在豐滿系數(體質量/(體長3×100))方面,僅10 μg/L PFBS顯著增加雄魚豐滿系數(表1).以上結果表明,PFBS能促進雄魚體長和體質量增加,而添加益生菌能拮抗高質量濃度PFBS誘導的體長和體質量變化.

表1 雄魚基本指標
不同的是,對于雌魚,10 μg/L PFBS顯著增加其體長,而100 μg/L PFBS對雌魚體長沒有顯著影響(表2).在PFBS與益生菌共暴露條件下,雌魚體長明顯變長,但與相應PFBS單獨暴露相比沒有顯著差異(表2).CHEN等[7]研究發現,PFBS暴露能減輕雌魚體質量,然而可能由于物種差異,本研究中PFBS單獨暴露后雌魚體質量沒有明顯變化,但PFBS與益生菌共暴露可使雌魚體質量顯著增加(表2).與10 μg/L PFBS單獨暴露相比,益生菌對雌魚體質量的增加也具有顯著效應(表2).PFBS單獨或與益生菌共暴露均不影響豐滿系數,但與10 μg/L PFBS單獨暴露相比,共暴露使雌魚豐滿系數顯著上升(表2).結果表明,PFBS能在體長與體質量上促進斑馬魚雌魚生長,而益生菌能促進低質量濃度PFBS的作用.PFBS與益生菌共暴露對雌雄魚影響不同,表明益生菌對PFBS效應的調節作用存在性別差異.

表2 雌魚基本指標
2.2.1親代血液T3與T4變化
檢測親代血液T3和T4變化情況,可以觀察到PFBS暴露后,斑馬魚血液T3水平呈下降趨勢,而T4水平變化趨勢不明顯(圖1).在10 μg/L PFBS共暴露條件下,雄魚T3水平趨向對照水平(圖1(A)),而雌魚T3水平則呈進一步下降趨勢(圖1 (B)).100 μg/L PFBS共暴露后,雌雄魚T3水平趨向對照水平(圖1 (A)和(B)).有趣的是,單獨添加益生菌后,斑馬魚血液T4水平呈上升趨勢,而PFBS與益生菌共暴露后,這種上升趨勢逐漸減小(圖1(C,D)).甲狀腺激素的升高可能是由于益生菌刺激下丘腦分泌促甲狀腺激素釋放激素(Thyrotropin-Releasing Hormone,TRH),進而刺激垂體前葉分泌促甲狀腺激素(Thyroid Stimulating Hormone,TSH)[18].此外,益生菌還可能增強促腎上腺皮質激素釋放因子(Corticotrophin Releasing Factor,CRF)的活性,刺激促甲狀腺激素的釋放,從而促進T4的分泌[19].甲狀腺激素在促進許多其他激素、酶和結構蛋白的合成方面發揮著重要作用[20].因此,可以推測益生菌誘導的甲狀腺激素水平升高可能有助于魚類的消化和新陳代謝.在雄魚中,PFBS單獨或與益生菌共暴露后,T3/T4比值呈減小趨勢,其中僅10 μg/L PFBS單獨暴露時T3/T4比值顯著減小(圖1(E)).T3和T3/T4比值的降低可能表明T4轉化為T3的能力降低[21].不同的是,PFBS單獨暴露后,雌魚T3/T4比值變化不大.而100 μg/L PFBS與益生菌共暴露時,雌魚T3/T4比值呈增大趨勢(圖1 (F)).總體來看,血液中T3和T4水平變化情況與在體長體質量中觀察到的益生菌在雄魚體內抑制PFBS作用、在雌魚體內促進低質量濃度PFBS作用的結果類似.

2.2.2親代大腦T3與T4變化
收集親代大腦組織,檢測T3和T4變化情況.結果顯示,PFBS單獨或與益生菌共暴露對雄魚大腦T3和T4水平沒有顯著影響(圖2(A,C)).然而,PFBS使雌魚大腦T3和T4水平顯著降低,添加益生菌對此效應影響不大(圖2(B)).值得注意的是,益生菌單獨暴露后,雌魚大腦T3水平顯著降低(圖2(B)),T4水平也呈降低趨勢(圖2(D)).PFBS單獨或與益生菌共暴露對雄魚大腦T3/T4比值的影響不顯著,但比值呈低質量濃度降低、高質量濃度升高的趨勢(圖2(E)).而在雌魚大腦中,PFBS暴露使T3/T4比值呈升高趨勢,添加益生菌后比值升高趨勢更明顯,尤其是100 μg/L PFBS與益生菌共暴露顯著增大T3/T4比值(圖2(F)).有報道稱較高的T3/T4水平可能會對魚的特異性免疫反應產生負面影響,導致對感染的高易感性[22].因此,100 μg/L PFBS與益生菌共暴露誘導T3/T4比值顯著增大可能不利于雌魚的特異性免疫反應.

2.2.3大腦相關基因變化
甲狀腺激素對生物機體十分重要,參與調控機體發育代謝和調節內分泌[23],HPT軸相關基因表達能影響機體內甲狀腺激素水平變化,因此除了檢測甲狀腺激素水平變化外,探究甲狀腺相關基因轉錄是否異常同樣重要.檢測親代大腦相關基因變化,結果如圖3所示.在雄魚大腦中,PFBS單獨暴露對促甲狀腺激素釋放激素基因(trh)和促甲狀腺激素釋放激素受體-1基因(Thyrotropin-Releasing Hormone Receptor-1,trhr1)轉錄影響不明顯,而在10 μg/L PFBS條件下,促甲狀腺激素基因(tshβ)轉錄顯著上調,100 μg/L PFBS條件下,tshβ基因轉錄呈上調趨勢(圖3(A)).與PFBS單獨暴露相比,共暴露后trh和trhr1基因轉錄無明顯變化,而在10 μg/L PFBS共暴露下,tshβ基因轉錄呈下調趨勢,100 μg/L PFBS共暴露下tshβ基因轉錄顯著上調(圖3(A)).tsh基因是甲狀腺激素下調基因之一,其表達在轉錄和轉錄后水平受T3控制,在甲狀腺機能減退時tsh基因轉錄增加[24-26].雄魚血液中的T3水平呈降低趨勢,且在10 μg/L PFBS下降低趨勢更明顯(圖1(A)),這可能是tshβ基因轉錄上調的原因.

在雌魚大腦中,PFBS單獨或與益生菌共暴露后,trh基因轉錄呈降低趨勢,其中10 μg/L PFBS與益生菌共暴露顯著降低了trh基因轉錄,而暴露后trhr1基因轉錄變化不大(圖3(B)).tshβ基因轉錄在PFBS單獨暴露后呈升高趨勢,0和10 μg/L PFBS共暴露后tshβ基因轉錄升高趨勢更明顯,而100 μg/L PFBS共暴露下tshβ基因轉錄卻呈下降趨勢(圖3(B)),這可能是暴露后血液中T3水平不同的應對策略.
血液中的甲狀腺激素能與甲狀腺激素受體(Thyroid Hormone Receptors,TRs,包括TRα和TRβ)結合并介導靶器官的作用[27].本研究中,PFBS單獨暴露時,雄魚大腦中甲狀腺激素受體基因(trα和trβ)轉錄輕微下調,當PFBS質量濃度為100 μg/L時,trα基因轉錄顯著下調(圖3(A)).類似地,在CHEN等[7]的研究中,親代PFBS暴露后,子代trα和trβ基因顯著下調.與100 μg/L PFBS單獨暴露相比,添加益生菌后,trα和trβ基因轉錄顯著上調至對照水平(圖3(A)),表明益生菌可能通過拮抗高質量濃度PFBS,減輕trα和trβ基因的轉錄下調.在雌魚大腦中,PFBS單獨或與益生菌共暴露后,trα基因轉錄輕微上調,其中100 μg/L PFBS單獨或與益生菌共暴露顯著上調trα基因轉錄(圖3(B)).trβ基因轉錄在PFBS單獨暴露后出現上調趨勢,而共暴露后則顯著上調.T3可通過HPT軸的反饋機制上調trα和trβ基因的表達[28].本研究中,添加益生菌共暴露后,trα和trβ基因表達上調可能是由于雌魚大腦較低水平的T3引起的,表明益生菌可能有助于減輕PFBS誘導的雌魚大腦T3水平降低.
單羧酸轉運蛋白8(Monocarboxylate Transporter 8,MCT8)是非常活躍且具有特異性的甲狀腺激素轉運蛋白,基因轉錄分析表明,MCT8負責甲狀腺激素跨膜穿過血腦屏障(Blood Brain Barrier,BBB)進入神經元[29].檢測單羧酸轉運蛋白8基因(mct8)轉錄情況,發現僅100 μg/L PFBS單獨暴露后,雄魚和雌魚大腦中的mct8基因轉錄出現上調趨勢,而添加益生菌的共暴露對mct8基因轉錄影響不大(圖3(A,B)).
甲狀腺激素脫碘酶(Iodothyronine Deiodinase,DIO)作為甲狀腺激素代謝中重要的轉化酶,可以調節甲狀腺激素生成,對維持機體甲狀腺激素水平起著決定作用.在雄魚大腦中,甲狀腺激素脫碘酶基因(dio)dio1,dio2和dio3b基因表達無顯著變化,除10 μg/L PFBS單獨暴露外,其他條件暴露后dio3a基因表達均顯著下調,且10 μg/L PFBS共暴露與單獨暴露相比,dio3a基因表達顯著下調(圖3(A)).類似地,CHEN等[7]發現海洋青鳉全生命周期暴露于PFBS后,子代幼魚dio3a基因表達顯著下調.Dio3a基因表達除了受PFBS單獨或與益生菌共暴露影響,還會受到HPT軸(如tshβ基因)的負反饋調節[7].而在本研究中,確實觀察到PFBS(0和100 μg/L)與益生菌共暴露后tshβ基因表達上調.然而dio3a基因表達下調并沒有影響雄魚大腦中甲狀腺激素水平變化(圖2(A)).
在雌魚大腦中,PFBS單獨暴露對4種脫碘酶基因表達影響不大,僅100 μg/L PFBS單獨暴露顯著上調dio3b基因表達(圖3(B)).10 μg/L PFBS共暴露與單獨暴露相比,dio1基因表達顯著上調,dio2,dio3a和dio3b基因表達差異不顯著;而100 μg/L PFBS與益生菌共暴露使dio1基因表達顯著上調,dio2基因表達出現上調趨勢,dio3a和dio3b基因表達無顯著差異,但dio3b基因表達與對照相比顯著上調.對于斑馬魚幼魚全身T4含量降低、T3水平升高,CHEN等人認為這些變化與deio1和deio2基因表達上調有關[30].本研究中,100 μg/L PFBS單獨或與益生菌共暴露后,雌魚大腦中T4水平降低(圖2(D))可能是因為大腦中dio1,dio2和dio3b基因表達上調所導致.然而,本研究中雌魚大腦T3水平顯著下降可能與其他因素有關.
2.2.4肝臟相關基因變化
甲狀腺激素進入血液后,與血液中特定的甲狀腺激素運載蛋白(Transthyretin,TTR)結合,然后被送到外周組織或靶器官.與對照相比,PFBS單獨暴露使雄魚肝臟中甲狀腺激素運載蛋白基因(ttr)轉錄出現下調趨勢,而共暴露則對ttr基因轉錄影響不大(圖4(A)).在雌魚肝臟中,與對照相比,PFBS單獨暴露后,雌魚肝臟中ttr基因轉錄呈下降趨勢,而添加益生菌的共暴露條件下,ttr基因轉錄呈上升趨勢(圖4(B)).

本研究發現,在所有暴露條件下,雄魚肝臟葡萄糖醛酸轉移酶基因(Uridine Diphosphate Glucuronosyltransferase,ugt1ab)表達均出現下調趨勢(圖4(A)).而在雌魚肝臟中,PFBS單獨暴露后,ugt1ab基因表達出現輕微下調趨勢(圖4(B)).而有趣的是,益生菌單獨暴露使ugt1ab基因表達出現較大下調趨勢,隨著PFBS質量濃度升高,共暴露條件下ugt1ab基因表達逐漸上調,并在100 μg/L PFBS共暴露中,ugt1ab基因表達略高于對照(圖4(B)).葡萄糖醛酸轉移酶能介導T4發生葡萄糖醛酸化作用,在斑馬魚體內的甲狀腺激素穩態中發揮關鍵作用[31-33].本研究中,益生菌單獨使用后,ugt1ab基因表達呈下調趨勢,可能導致T4葡萄糖醛酸化過程受阻,進而使血液中T4水平呈上調趨勢.
綜合甲狀腺激素和相關基因表達變化,可以看出PFBS暴露干擾甲狀腺內分泌系統,而益生菌能在一定程度上調節PFBS的作用.除此以外,暴露后甲狀腺關鍵基因的轉錄存在性別差異,突出了生態風險評估中考慮性別特異性的必要性.
在暴露結束前,收集子代胚胎,測量胚胎質量變化.結果顯示,親代PFBS單獨暴露不影響子代胚胎質量(圖5).TANG等[33]的研究同樣未發現親代PFBS暴露后對子代胚胎質量產生影響.共暴露條件下,僅10 μg/L PFBS與益生菌共暴露顯著增加后胚胎質量.同時,與10 μg/L PFBS單獨暴露相比,親代添加益生菌共暴露的子代胚胎質量顯著增加(圖5),可能是低質量濃度PFBS與益生菌之間存在某種相互作用使子代胚胎質量增加.

PFBS單獨或與益生菌共暴露于親代后,子代甲狀腺激素水平是否受到影響值得關注.檢測結果顯示,僅益生菌單獨暴露后,子代胚胎T3水平呈升高趨勢(圖6(A)),其他暴露條件對其影響不大.10和100 μg/L PFBS單獨暴露后,胚胎中T4水平呈先降低和升高的趨勢(圖6(B)).與PFBS單獨暴露相比,10 μg/L PFBS與益生菌共暴露后,子代胚胎T4水平變化不大,而100 μg/L PFBS與益生菌共暴露后,子代胚胎T4水平呈下降趨勢.在T3/T4比值上,PFBS或益生菌單獨暴露時,其比值呈增大趨勢(圖6(C)).10 μg/L PFB與益生菌共暴露相比于PFBS單獨暴露,T3/T4比值差異不顯著,而100 μg/L PFBS與益生菌共暴露后,T3/T4比值呈減小趨勢,并趨向對照水平(圖6(C)).

PFBS能損害海洋青鳉甲狀腺軸的多個過程,并且能夠通過親代影響F1代和F2代的甲狀腺內分泌系統紊亂[6].然而,可能是物種差異,本研究未發現子代甲狀腺激素紊亂.另外,POWER等[34]研究表明,卵子發育過程中,大量的甲狀腺激素從母體轉移到魚卵中,以維持胚胎早期發育的充足供應.硬骨魚會在胚胎形成過程中合成更多的甲狀腺激素,以抵消母體庫的減少[35].因此,在胚胎早期的發育過程中,其甲狀腺激素水平不穩定,這可能是本研究觀察到子代胚胎甲狀腺激素水平出現輕微波動的原因.
本研究結合基因轉錄和激素水平變化為終點指標,探討PFBS單獨或與益生菌共暴露對親代及子代甲狀腺內分泌系統的影響.在激素水平上,PFBS降低了血液T3水平,而添加益生菌能減輕雄魚血液T3水平降低;PFBS顯著降低雌魚大腦甲狀腺激素水平,而益生菌未能挽救這種效應.在基因水平上,100 μg/L PFBS與益生菌共暴露促進雄魚大腦tshβ基因表達以應對低水平的T3,并與相應PFBS單獨暴露相比差異顯著,表明添加益生菌可以減輕高質量濃度PFBS誘導的大腦T3水平降低;PFBS單獨暴露上調雌魚大腦trα基因表達,而PFBS與益生菌共暴露上調trα和trβ基因表達,表明添加益生菌能使機體更積極地應對PFBS誘導的雌魚大腦T3水平降低.親代PFBS單獨或與益生菌共暴露后對子代胚胎重量和甲狀腺激素影響不大.綜上,PFBS單獨暴露能引起斑馬魚的甲狀腺內分泌系統紊亂,而PFBS與益生菌共暴露后,益生菌能在一定程度上通過甲狀腺激素水平和基因表達調節PFBS的毒性效應.本研究結果可為后續PFBS毒性效應的研究及毒性緩解措施的開發提供重要參考.