秀丽隐杆线虫在生态毒理评价中的应用

摘要：秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 是近些年来广泛应用于环境毒物毒性评价与毒理学研究的经典模式动物。秀丽线虫虽然自然条件下在土壤中生存, 但是在淡水或者培养液条件下也可以正常生存，已经被证明可以成功用作水生毒理学、水体污染方面研究的受试生物。秀丽线虫容易培养 (以大肠杆菌为食) , 生命周期短(个体从一个受精卵发育成可以产卵的成虫只需3天左右)，可进行多评价终点评价 (例如存活率、生殖、寿命、运动行为、代谢等)，具有极其丰富的遗传与发育研究背景, 尤其是对于环境胁迫的应激反应十分敏感,目前已经成为公认的高等动物毒性评价重要的替代模式动物。本综述即针对利用模式动物秀丽线虫进行环境样品中毒物鉴别与毒性评价研究进展进行总结与分析, 并对开展进一步的研究工作提出建议。

关键词： 秀丽隐杆线虫； 毒性评价； 毒理学；

一、文献综述

1. 引言

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)一般是雌雄同体,常以大肠杆菌为食。线虫生活在土壤和沉积物的孔隙水中，其个体微小，对外界环境的变化非常敏感，在土壤生态系统中具有重要地位。因其体积小，(体长约1 mm)、通体透明、易于保存与培养、繁殖速度快、完整的基因组已知和对毒物的敏感性高等优势,在环境毒理学得到广泛应用。秀丽线虫作为一种良好的模式生物,多种指标体系已经被广泛用于评价环境污染物毒性效应及其机制。秀丽线虫的暴露方式主要有水、土和琼脂暴露3种方式,毒性评价指标主要集中在致死率、生长发育、运动行为、繁殖、活性氧自由基(ROS)水平、细胞凋亡水平、相关基因表达量和相关蛋白水平等^[1]。

目前国内外学者，对秀丽隐杆线虫在土壤环境污染的指示与诊断中的应用进行实验研究，有关秀丽隐杆线虫毒理实验研究表明线虫的多个亚致死效应检测方法适用于农药废水的毒性检测:王晓伟等^[2]的研究结果表明，在已经达到国家废水排放标准[GB8978-1996]情况下，秀丽隐杆线虫的世代周期对进水的毒性最为敏感，产卵数量对出水的毒性最为敏感，进水毒性主要来自易受酸性调节影响的有机污染物，出水毒性主要来自受碱性调节影响的有机污染物。上述研究表明，秀丽隐杆线虫对垃圾填埋场渗滤液尾水的毒性检测具有潜在应用价值。垃圾填埋场渗透液通常具有生物降解性差、氨氮浓度高等特性，且部分尾水仍含有多种环境优先控制污染物，有较强的环境污染性，化学检测作为尾水检测的主要途径无法全面综合地评估尾水的生物毒性。本研究引入模式生物秀丽隐杆线虫作为实验对象，通过短期畸形暴露实验方法，试探究渗滤液尾水对秀丽隐杆线虫的致死、生长、繁殖和行为的毒性效应^[3]，探讨以秀丽隐杆线虫为模型进行尾水毒性评价的可行性，为尾水的安全排放提供科学依据。

1. 秀丽隐杆线虫在毒理评价中的优势

秀丽线虫是一种经典模式生物，它的出现使得生命科学等领域许多复杂的问题得以简单化，同时也揭示了许多基本的问题。与其他模式生物相比，秀丽线虫更易于在实验室培养，繁殖速度快而可以大量获得，试验周期短，此特点对环境科学与生态毒理研究而言是至关重要的。秀丽线虫生活周期短，从受精卵发育成一个成熟的成体仅需55小时(h)左右。秀丽线虫生活在土壤中,体长1 mm左右，以细菌为食,对实验人员自身无伤害性。秀丽线虫通体透明，十分利于分析细胞谱系的变化与深人揭示和追踪毒物的神经毒理。秀丽线虫染色体数目少(2n=12),基因 组小(8X107 bp),约有13 500个基因，十分适于针对特定的毒理研究开展全基因组筛选。秀丽线虫基因组中有约40%基因与人基因组同源，暗示在秀丽线虫中所进行的毒理学研究将很大程度上反映毒物可能导致的对人体的毒害。另外,秀丽线虫不仅可以生活在土壤中，在水溶液中也能生存,因此它可以作为分析土壤环境与水环境污染及相关毒理的有价值评估体系。目前，秀丽线虫已经成功地应用于 土壤与水环境中毒物毒性评估与毒理的研究^[4]。

1. 秀丽隐杆线虫在毒理评价中的应用

3.1 基于分子水平的评价

到20世纪90年代中期，人们已经建立了完整的线虫从受精卵到成体细胞的谱系图，它揭示了雌雄同体线虫全部1090个细胞的身世和命运。线虫染色体数目少(2 n=12) 基因组小(8x10 bp),约有13500个基因，十分适于针对特定的毒理研究开展全基因组筛选。线虫基因组中约有40%的基因与人基因组同源，提示基于线虫的毒理学研究将很大程度上反映毒物可能导致的对人体的毒害^[5]。近些年来，一些与胁迫反应有关的重要基因也被用于毒害与胁迫的评价。例如，镉应激基因cdr-4可以被用于评价重金属镉、砷、汞、锌的毒性，秀丽线虫受到这些重金属暴露后可以诱发该基因高度表达^[6]。HUS1与p53的表达模式可以被用于考察镉暴露导致的种质细胞凋亡进程^[7]。 此外，金属硫蛋白基因mtl-1与mtl- 2的表达模式可以被用于评价镉等重金属的毒性^[8]。