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Monitoring early toxicity of heavy metals including Hg using a HSE-SEAP reporter gene

报告基因方法监测重金属汞及其化合物的早期毒性



全 文 :°¤± ¤¦∏·¨ °¼¨ ²¯¬§¯¨ ∏®¨ °¬¤¦¨¯¯ ¬¯±¨ ‹2ys q Μετηοδ : ≤¨¯¯√¬¤¥¬¯¬·¼ º¤¶§¨·¨µ°¬±¨ §¥¼ ×× ¤±§°Œ2¶·¤¬±¨ §¦¨¯¯ ¦¼¦¯¨¤¶¶¤¼¶q׫¨ µ¨¤¯ª¤µ¬±2
§∏¦¨§°²µ³«²¯²ª¬¦¤¯ ¦«¤±ª¨¶²± ¦¨¯¯¶º µ¨¨ ¬¨¤°¬±¨ §¤©·¨µ• µ¬ª«·2Š¬¨°¶¤¶·¤¬±¬±ªq׫¨ ¦¨¯¯ §¬©©¨µ¨±·¬¤·¬²± º¤¶ √¨¤¯∏¤·¨§º¬·«‘…× ¤±§¶³¨¦¬©¬¦
¦¨¯¯ ¶∏µ©¤¦¨ ¤±·¬ª¨ ± k≤⁄tt¥¤±§≤⁄twl ¬¨³µ¨¶¶¬²±¤¶¶¤¼¶qΡεσυλτ : ‹2ys ¦¨¯¯¶ ¬¨«¬¥¬·¨§²¥√¬²∏¶°²µ³«²¯²ª¬¦¤¯ ©¨ ¤·∏µ¨¶²©§¬©©¨µ¨±·¬¤·¬²±¤©·¨µ
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³µ¨¶¶¬²±¶²© ≤⁄tt¥¤±§≤⁄tw º µ¨¨ ¤∏ª° ±¨·¨§¬± ¦¨¯¯¶·µ¨¤·¨§º¬·«s1xs Λ°²¯#pt µ¨¤¯ª¤µ©²µw{ «o¤±§¦¨¯¯ ¦¼¦¯ ¶¨º µ¨¨ ¤µµ¨¶·¨§¬± Št ³«¤¶¨ q
Χονχλυσιον : ²º §²¶¨ µ¨¤¯ª¤µ¬±§∏¦¨¶§¬©©¨µ¨±·¬¤·¬²±¬± «∏°¤± ¤¦∏·¨ °¼¨ ²¯¬§¯¨ ∏®¨ °¬¤¦¨¯¯ ¬¯±¨ ‹2ys q
[ Κεψ ωορδσ] µ¨¤¯ª¤µ~ ‹2ys ~¦¨¯¯ §¬©©¨µ¨±·¬¤·¬²±~±¤±²³¤µ·¬¦¯ ¶¨~¯¨ ∏®¨ °¬¤ ≈责任编辑 刘  
≈收稿日期  ussx2tu2ty
≈基金项目  国家自然科学基金资助项目kusvvtsus ~uststsstl
≈通讯作者  3杨晓达 o ר¯ }kstsl{u{stxv| o ∞2°¤¬¯}¬¼¤±ªƒ ¥­2
°∏q¨§∏q¦±
报告基因方法监测重金属汞及其化合物的早期毒性
余占江t o杨 秦t o杨晓达t ou 3 o王 夔t ou
kt1 北京大学 药学院 o北京 tsss{v ~u1 北京大学 天然药物和仿生药物国家重点实验室 o北京 tsss{vl
≈摘要  目的 }基于热休克信号响应和分泌型碱性磷酸酶k≥∞„°l报告基因 o建立 ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞模型 o预
测重金属k汞及其化合物l的早期毒性 ∀方法 }将 ³‹≥∞2≥∞„°质粒转染到人子宫颈癌 ‹ ¨¤细胞中 o建立瞬时 ‹≥∞2
≥∞„°响应模型 ∀热休克kwu ε ot «l或重金属化合物k≤§≤¯ u ox Λ°²¯#pt ow «l处理后 o在完全 ⁄∞ 培养基中恢复
w{ «后 o检测细胞上清液中的分泌型碱性磷酸酶的含量k表示该状态下细胞中的热休克蛋白表达量l o同时用 ××
方法检测对应浓度下的细胞活性 o以验证模型的有效性和重复性 ∀并用亚致死浓度k由 ××实验确定l的无机和矿
物汞k‹ª≤¯ u o‹ª≥和朱砂l和柳硫汞钠处理细胞 o检测诱导的细胞热休克响应 ∀结果 }热休克和 ≤§≤¯ u作用 ‹≥∞2≥∞„°2
‹ ¨¤细胞模型后 o细胞上清液中的分泌型碱性磷酸酶的含量显著升高 ~热休克蛋白表达早于 ≤§un对细胞活性的降
低 ∀w种汞化合物在亚致死浓度均诱导细胞内热休克蛋白的变化 o但 w种化合物的作用时间和浓度效应不同 o显示
不同类型的汞化合物早期毒性存在差异 ∀结论 }‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞模型可有效检测重金属诱导的热休克应激作
用 o并具有良好的重复性 o可应用于重金属有关的早期毒性预测或药物毒性评估 ∀
≈关键词  热休克蛋白 ~‹ ¨¤细胞 ~重金属 ~报告基因
≈中图分类号  • u{x1x ≈文献标识码  „ ≈文章编号  tsst2xvsukussylty2tvwy2sw
由于汞及其化合物k如朱砂l在中药以及复方的
广泛使用 o其毒性一直是关注的热点 ∀热休克蛋白 o
在细胞活性改变前对外界刺激做出反应 o尤其对活
性氧和重金属具有高度敏感性≈t  ∀它作为重金属的
早期毒性标志 o已经在环境监测中广泛应用≈u  ∀
热休克蛋白的应激性表达在转录水平的调节有
赖于 ‹≥° 启动子区内热休克元件k«¨¤·¶«²¦® ¨¯ 2¨
°¨ ±·o‹≥∞l ∀ ‹≥∞ 是具有 us 个核苷酸保守序列
k≤‘‘Š„„‘‘××≤‘‘Šo‘为 w种核苷酸中的任一种l o
将其和分泌型碱性磷酸酶k≥∞„°l报告基因连接可
以构建对热休克应激响应的报告基因质粒≈v ow  ∀
≥∞„°作为一种能自动分泌到细胞外的报告基因 o因
其无需破坏细胞即可动态检测的特性而备受青
睐≈x  ∀本研究旨在建立依据 ≥∞„°报告基因动态监
视细胞内热休克蛋白的新方法 o以建立对重金属和
中药矿物药的早期毒性进行预测的方法 ∀
1 材料和试剂
人子宫颈癌 ‹ ¨¤细胞株k北京大学医学部免疫
学系l ~w2甲基偶氮唑蓝k××l o⁄∞ 培养基和胎牛
血清kƒ…≥lkŠ¬¥¦²公司l ~Λ2高精氨酸和对硝基苯磷
酸k³‘°°lk≥¬ª°¤公司l ~¬³²©¨¦·¤°¬±¨ usss转染试剂
kŒ±√¬·µ²ª¨±公司l ~³‹≥∞2≥∞„°质粒k≤¯ ²±·¨¦«公司l ~
…¤°‹ ´ o…ª¯ ´限制性内切酶kפ®¤¼¤公司l ~ts|
感受态菌和小量质粒提取试剂盒k北京鼎国生物技
术有限公司l ~‹ª≥ksxs|st o贵州同仁化学试剂厂l ~
朱砂ksxsysz o贵州同仁化学试剂厂l ~其他试剂均为
进口或国产分析纯 ∀
#ywvt#
第 vt卷第 ty期
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中 国 中 药 杂 志
Χηινα ϑουρναλ οφ Χηινεσε Ματερια Μεδιχα
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2 方法
211 汞及其化合物溶液的制备 准确称取一定量
‹ª≤¯ u和柳硫汞钠 o分别溶于适量去离子水中 o得到总汞
浓度为 s1st °²¯#pt的 ‹ª≤¯ u和柳硫汞钠溶液 ~将过量
‹ª≥和朱砂分别加入 x °去离子水中 o振摇 tu «ox sss
≅ γ 离心 us °¬±后取上清溶液 o得到 ‹ª≥和朱砂提取
液 o并用双硫腙法标定提取液的总汞浓度 ∀使用时用
均无血清 ⁄∞ 培养基稀释至适当浓度 ∀
212 细胞增殖抑制率测定 ‹ ¨¤细胞采用含 tsh热
灭活胎牛血清的 ⁄∞ 培养基在 vz ε 和 xh ≤’u的条
件下培养 ∀将 ‹ ¨¤细胞以u≅ tsx#°pt种于|y孔板中
k每孔 tss ˏlo继续培养至细胞长满 {sh o分别加入
‹ª≤¯ u o柳硫汞钠 o‹ª≥和朱砂k总汞浓度依次为 sos1to
s1xotoxotsouxoxsotss Λ°²¯#pt o每组 y复孔l∀xh ≤’u
和 vz ε 条件下孵育 uw «后 o加入 ×× k终质量浓度为
s1xs °ª#°ptl继续培养 w «o每孔加 uss ˏ⁄≥’ ovz
ε下温育 vs °¬±o用自动酶标仪于 xzs ±°测定各孔吸
光度 Αk参比波长为 yvs ±°l∀
213 质粒的扩增和鉴定 用 ts|感受态菌扩增
³‹≥∞2≥∞„°质粒 o并用鼎国质粒提取试剂盒提纯 o
…¤°‹ ´ o…ª¯ ´酶切鉴定正确 o纯度要求达到 Αuysru{s
为 t1z ∗ u1s ∀
214 ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞模型的建立 取对数期
生长的 ‹ ¨¤细胞 o种于 ux ¦°u的细胞培养瓶中 o待
细胞贴壁生长至 {s h的融合度 o用 ⁄2‹¤±®¶缓冲液
洗细胞 t次 o加入 y °无血清无抗生素的 ⁄∞ 培
养基 ~同时将质粒 ³‹≥∞2≥∞„°与转染试剂 ¬³²©¨¦2
·¤°¬±¨ usss按 wΒxkty ΛªΒus ˏl的比例混匀 o室温孵
育 us °¬±后 o加入细胞培养基中 ox h ≤’u ovz ε 孵
育 y «后 o吸去上清液 o加入新鲜完全培养基继续培
养 tu «进行下项的实验 ∀
215 热休克响应的检测 用胰酶消化 ‹≥∞2≥∞„°2
‹ ¨¤细胞 o一部分细胞种于 ys °°的培养皿 o待细
胞贴壁后 owu ε 热休克 t «o完全 ⁄∞ 培养基恢复
w{ «o取上清液检测 ≥∞„°的活性 ~另一部分细胞以
u ≅ tsx#°pt种于 |y孔板中k每孔 tss ˏl o待细胞
贴壁后 o对细胞进行以下几种处理k每组 y复孔l }≠
加入 x Λ°²¯#pt ≤§≤¯ u温育 u ow ots oty ouw « o在完全
⁄∞ 培养基中恢复 w{ «~加入不同浓度的 ≤§≤¯ u
作用 w «o完全 ⁄∞ 培养基中恢复 w{ «~≈分别加
入不同浓度的 ‹ª≤¯ u o柳硫汞钠 o‹ª≥和朱砂k总汞浓
度依次为 s os1t os1x ot ox ots oux oxs Λ°²¯#ptl ox h
≤’u ovz ε 孵育 tu «o加入新鲜完全 ⁄∞ 培养基恢
复 w{ «~均取细胞上清液检测 ≥∞„°的活性 ∀同时
按照 212 项方法进行细胞毒性测定 ∀yx ε 下加热
vs °¬±o灭活细胞上清液中的内源性磷酸酶 ox sss ≅
γ o离心 v °¬±除去细胞碎片 ∀于 |y孔板中加入 ws
ˏ已经预温至 vz ε 的 u ≅ ≥∞„°缓冲液kus °°²¯#
pt Λ2高精氨酸 ~t °°²¯#pt ª≤¯ u ~ut h二乙醇胺 o
³‹ |1{l和 x ˏ新鲜配制并在 vz ε 预温的底物ktus
°°²¯#pt磷酸硝基苯酚l后 o每孔加入 xs ˏ已处理
的细胞培养上清液 ∀经过 vz ε 显色 o在不同的显色
时间kx ots otx ous oux ovs °¬±l o测定 Αwsx≈y  o并得到
每个浓度下的斜率 ∀该浓度下的 ≥∞„°活性k细胞
中热休克蛋白的含量l用该浓度的斜率与对应 ××
实验 Αxzs的商表示 ∀
216 统计学分析 用 ¬¦µ²¦¤¯ ’µ¬ª¬±×进行 ‹¬¯¯ 模
型ktl拟合得到汞及其化合物的半数抑制浓度
kŒ≤xsl ∀ ≥∞„°相对活性用单因素方差k„‘’∂ „l进
行分析 ∀
ς€ ς°¤¬ ξ
ν
Œ≤ νxs n ξν ktl
其中 ς表示细胞相对活性 , ξ为总 ‹ª的浓度 o
ν为 ‹¬¯¯ 常数 ∀
3 结果
311 细胞模型的有效性和重复性 热休克和 ≤§un
都会引起细胞内热休克蛋白的大量表达≈z o{  ou种处
理通常作为热休克响应的阳性对照 ∀wu ε 热休克 t
«ox Λ°²¯#pt≤§≤¯ u作用 u ow ots oty ouw «或者不同浓
度的 ≤§≤¯ u作用 w «后 o细胞上清液的 ≥∞„°的活性
k代表 ‹ ¨¤细胞内热休克蛋白的水平l相对于对照
组显著升高 o且 ≥∞„°的活性随着 ≤§≤¯ u的浓度k在
s ∗ ux Λ°²¯#ptl和作用时间的增加而升高 ∀这些
结果与文献结果一致≈|  ∀
312 w种代表性汞化合物对 ‹ ¨¤细胞活性的影响
w种汞化合物对 ‹ ¨¤细胞的增殖抑制率都随着
浓度的增加而升高 o其中是柳硫汞是疫苗中常用的
保鲜剂 o‹ª≤¯ u为有毒无机汞 o而 ‹ª≥是矿物药朱砂
的主要成分 ∀w种汞化合物的半数抑制浓度kŒ≤xsl
依次为 ‹ª≤¯ uku|1w{ ? u1zxl Λ°²¯ #pt o柳硫汞钠
ktu1u{ ? t1t|l Λ°²¯ #pt o‹ª≥ktv1sz ? u1{tl Λ°²¯ #
pt和朱砂ku1v| ? t1uxl Λ°²¯#pt o显示 ‹ª≥和柳硫
汞对 ‹ ¨¤细胞毒性近似 ∀而贵州产朱砂的 Œ≤xs明
显小于 ‹ª≥和 ‹ª≤¯ u o显示朱砂的毒性和其矿物中含
#zwvt#
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有的其他成分k如少量其他重金属l有关 ∀
313 w种代表性汞化合物对 ‹ ¨¤细胞热休克响应
的诱导 w种代表性汞化合物均以浓度依赖的方式
诱导热休克蛋白表达 o且热休克蛋白水平随着汞化
合物中总汞浓度的增加而增加k图 tl ∀同 ≤§≤¯ u一
样 o汞化合物诱导热休克蛋白表达先于其细胞毒性
出现 ∀作用 tu «时间后 os1x Λ°²¯ #pt的 ‹ª≤¯ u和
‹ª≥即可引起显著的热休克蛋白表达 o柳硫汞钠的
浓度只有达到 x Λ°²¯#pt才出现细胞内热休克蛋白
的显著升高 o而朱砂介于两者之间 o在 t Λ°²¯#pt才
观察到热休克蛋白的显著升高 ∀在诱导的时间效应
上k图 ul o热休克蛋白的表达随着作用时间的增加
而增加 o但 ‹ª≥诱导热休克蛋白的表达明显早于其
他 v种汞化合物 ∀由上述结果可见 o朱砂对热休克
蛋白的诱导能力明显低于 ‹ª≤¯ u和 ‹ª≥ o无论在时间
或浓度效应上 o朱砂的早期毒性作用既不同于无机
汞盐 ‹ª≤¯ u o也不是由其主要成分 ‹ª≥引起 ~这可能
与朱砂成分的复杂性有关 ∀在另一方面 o虽然朱砂
诱导热休克蛋白的能力接近安全性较高的柳硫汞 o
但朱砂的细胞毒性却显著高于柳硫汞 ∀这些结果显
示 o在朱砂的毒性方面 o其他非 ‹ª≥的矿物成分可能
具有更大的作用 o有待进一步的研究阐明 ∀另外 ow
种汞化合物诱导热休克蛋白的能力与对 ‹ ¨¤细胞
增殖抑制的影响强弱顺序不一致 o显示了低浓度条
件下化合物的毒性与高浓度时不同 o其中原因有待
进一步研究 ∀
4 讨论
本研究将 ³‹≥∞2≥∞„°质粒转染进 ‹ ¨¤细胞 o
建立了基于热休克信号通路和分泌型碱性磷酸酶报
告基因k‹≥∞2≥∞„°l的细胞分析模型 ∀热休克和
≤§un处理结果表明该细胞模型可有效和较好地动
态检测细胞内热休克蛋白的水平 ∀应用于 w种代表
性汞化合物的结果显示 o汞化合物诱导细胞内热休
克蛋白表达早于其对细胞活性的降低 ~朱砂对热休
克蛋白的诱导能力明显低于 ‹ª≤¯ u和 ‹ª≥ o无论在时
间或浓度效应上 o朱砂的早期毒性作用与 ‹ª≤¯ u或其
主要成分 ‹ª≥都不同 ∀这一结果显示朱砂的毒性可
能与朱砂成分的复杂性有关 o而非 ‹ª≥的其他矿物
成分可能作用更大 o有待进一步的研究阐明 ∀总之 o
本工作建立的方法具有良好的有效性 !重复性和实
用性 o可以应用于中药矿物药以及复方药物的早期
或低剂量条件的毒性预测 ∀
图 t w种汞化合物对 ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞产生
热休克蛋白k‹≥°l的浓度效应
„1‹ª≤¯ u ~…1 朱砂 ~≤1‹ª≥ ~⁄1 柳硫汞钠 ~ ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞与
不同浓度的 w种汞化合物在 vz ε 下温育 tu «o完全 ⁄∞ 中恢
复 w{ «后检测 ≥∞„°活性 ~柱图 }≥∞„°的活性 o曲线 }细胞活性 ~
3 与细胞对照组比较 Π s1sx
图 u w种汞化合物对 ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞
产生热休克蛋白的时间效应
‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤细胞与 x Λ°²¯#pt ‹ª≤ u¯ ox Λ°²¯#pt柳硫汞钠 ox
Λ°²¯#pt ‹ª≥和 tx Λ°²¯#pt朱砂在 vz ε 下温育 w otu ouw «o完全
⁄∞ 中恢复 w{ «后检测 ≥∞„°活性
≈参考文献 
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º¬·«¦¼·²·²¬¬¦¬·¼ ¤±§ ¬¯³²³«¬¯¬¦¬·¼qײ¬¬¦²¯²ª¼ ousss otwx }twz q
Μονιτορινγ εαρλψτοξιχιτψ οφ ηεαϖψ µεταλσινχλυδινγ
Ηγ υσινγ α ΗΣΕ2ΣΕΑΠρεπορτερ γενε
≠˜ «¤±2­¬¤±ªt o ≠„‘Š ±¬±t o ≠„‘Š ÷¬¤²2§¤tou o • „‘Š Ž∏¬tou
(t1 Σχηοολ οφ Πηαρµαχευτιχαλ Σχιενχεσ, Πεκινγ Υνιϖερσιτψ Ηεαλτη Σχιενχε Χεντερ, Βειϕινγ tsss{v , Χηινα ;
u1 Νατιοναλ Ρεσεαρχη Λαβορατοριεσ οφ Νατυραλ ανδ Βιοµιµετιχ ∆ρυγσ , Πεκινγ Υνιϖερσιτψ Ηεαλτη Σχιενχε Χεντερ, Βειϕινγ tsss{v , Χηινα)
[ Αβστραχτ] Οβϕεχτιϖε : ײ §¨ √¨¯²³¤¦¨¯¯∏¯¤µ¤¶¶¤¼ ¥¤¶¨§²± «¨ ¤·¶«²¦®¶¬ª±¤¯ ³¤·«º¤¼ ¤±§¶¨¦µ¨·¨§¤¯®¤¯¬±¨ ³«²¶³«¤·¤¶¨ k≥∞„°l µ¨2
³²µ·¨µª¨ ±¨ ©²µ¬±√ ¶¨·¬ª¤·¬±ªr³µ¨§¬¦·¬±ª·«¨ ¤¨µ¯¼·²¬¬¦¬·¼ ²©«¨ ¤√¼ ° ·¨¤¯¶²± ‹ ¨¤¦¨¯¯¶¬± ≤«¬±¨ ¶¨ ·µ¤§¬·¬²±¤¯ ° §¨¬¦¬±¨ k×≤ l1 Μετηοδ : ׫¨
³‹≥∞2≥∞„° ³¯¤¶°¬§º¤¶·µ¤±¶©¨¦·¨§¬±·² ‹ ¨¤¦¨¯¯¶·²¥∏¬¯§¤ ‹≥∞2≥∞„°2‹ ¨¤¦¨¯¯ °²§¨ 1¯ ƒ²µ√¤¯¬§¤·¬²± ²©·«¨ °²§¨¯o·«¨ ·µ¤±¶©¨¦·¨§¦¨¯¯¶
º µ¨¨ ·µ¨¤·¨§¥¼ ¬¨·«¨µ«¨ ¤·¬±ª¤·wu ε ©²µt «²µ¬±¦∏¥¤·¨§º¬·«x °²¯#pt ≤§≤¯ u©²µw «1 ׫¨ ±·«¨ ¦¨¯¯¶º µ¨¨ ¦²√ µ¨¨§¬±¦²°³¯ ·¨¨ ⁄∞ ¦∏¯2
·∏µ¨ ° §¨¬∏° ©²µw{ «¤±§·«¨ ¤¦·¬√¬·¼ ²© ≥∞„° kµ¨©¯ ¦¨·¬±ª·«¨ ¦¨¯¯∏¯¤µ¯¨ √¨¯ ²© «¨ ¤·¶«²¦® ³µ²·¨¬±l ¬± ¦∏¯·∏µ¤¯ ¶∏³¨µ±¤·¤±·¶º¤¶ ° ¤¨¶∏µ¨§~
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5中国天然药物6k≤«¬±¨ ¶¨ ²∏µ±¤¯ ²©‘¤·∏µ¤¯  §¨¬¦¬±¨ ¶l是由中国药科大学主办 !国家教育部主管的国家级药学学术期刊 ∀主
要报道天然药物学科创新性成果 o辟有思路与方法 !综述 !论文 !简报 !技术交流 !快报 !药事法规等栏目 ~登载中药学 !天然药物
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中 国 中 药 杂 志
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