本研究由Yanwen Hou、Wei Yan、Lin Guo、Guangke Li和Nan Sang共同完成，通讯作者为Guangke Li和Nan Sang，研究机构包括山西大学环境与资源学院（中国山西）和徐州医科大学遗传学系（中国江苏）。该研究于2023年发表在期刊《Particle and Fibre Toxicology》上，标题为《Prenatal PM2.5 exposure impairs spatial learning and memory in male mice offspring: from transcriptional regulation to neuronal morphogenesis》。

学术背景

PM2.5（细颗粒物）是大气污染的主要成分之一，已被世界卫生组织（WHO）列为全球最大的环境健康风险因素。流行病学研究表明，孕期PM2.5暴露与后代神经发育障碍（如认知功能下降、自闭症谱系障碍等）密切相关，但性别特异性效应及其分子机制尚不明确。本研究聚焦于PM2.5对雄性后代空间学习记忆能力的损害，旨在揭示其通过转录调控和神经元形态发生的生物学过程，并明确PM2.5中有机和无机成分的贡献。

研究流程

1. PM2.5样本采集与表征

   • 样本来源：2018年11月至2019年3月在中国山西太原采集PM2.5，通过石英纤维滤膜富集。
     
   • 理化分析：透射电镜（TEM）观察形态，动态光散射（DLS）测定流体力学直径（600.1±30.25 nm），气相色谱-质谱（GC-MS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分别检测多环芳烃（PAHs）和重金属含量。结果显示，PM2.5中主要PAHs为苯并(b)荧蒽（BbFA，16.70 ng/m³），主要重金属为Zn（323.87 ng/m³）。
     

2. 动物模型构建与暴露实验

   • 实验动物：孕鼠（C57BL/6J）通过口咽吸入暴露于PM2.5悬浮液（3 mg/kg，每2天一次）或生理盐水对照。
     
   • 后代分析：在出生后第1、7、21天（PNDs 1/7/21）采集雄性后代大脑皮层组织，每组8只幼鼠（来自6只母鼠）。
     

3. 行为学测试

   • Morris水迷宫（MWM）：在PNDs 21-23评估空间学习记忆能力。结果显示，PM2.5暴露组雄性后代的逃避潜伏期（第4-5天）和平台穿越次数（第6天探针测试）显著降低（p<0.05），而雌性后代无显著差异。
     

4. 转录组学分析

   • mRNA测序（mRNA-seq）：对PNDs 1/7/21的皮层组织进行测序，发现差异表达基因（DEGs）数量随发育时间增加（PND1: 478个，PND21: 797个）。
     
   • 基因本体（GO）分析：DEGs显著富集于神经元发育相关通路，如轴突形成（axon development）、树突复杂性（dendritic complexity）和突触组装（synapse assembly）。
     

5. 神经元形态学观察

   • 体外培养：原代皮层神经元在体外第2天（DIV2）和第5天（DIV5）显示，PM2.5暴露组轴突长度和分支数显著减少（p<0.01）。
     
   • 高尔基染色：PNDs 7/21的树突分支数（距胞体50-200 μm范围）和成熟树突棘比例（蘑菇型）降低，未成熟棘（丝状型）比例升高。
     

6. 转录调控机制

   • Hub基因筛选：通过蛋白质互作网络（PPI）鉴定出关键基因（如PND21的DRD2、MAPT）。
     
   • 转录因子预测：HOXA5（Homeobox A5）被确定为调控所有Hub基因的上游因子，其表达在PM2.5暴露组中显著下调（p<0.01）。JASPAR数据库预测HOXA5与Hub基因启动子区的结合位点。
     

7. PM2.5成分贡献评估

   • 有机（OC）与无机成分（IC）分离：OC（含PAHs）在5 μg/mL时显著抑制轴突生长（较IC更强），并下调HOXA5及神经发育相关基因（如CCL2、FOXB1）。
     

主要结果

1. 性别特异性认知损伤：仅雄性后代出现空间学习记忆障碍，与皮层DEGs的时序性变化一致。
   
2. 神经元形态异常：轴突长度、树突分支复杂度及突触标志物（PSD95、SYP）表达均降低。
   
3. HOXA5的核心作用：HOXA5通过调控轴突和树突发育相关基因（如SLIT3、NR4A2）介导PM2.5的神经毒性。
   
4. 成分差异：有机成分（PAHs）比无机成分对神经元生长的抑制作用更强。
   

结论与意义

本研究首次阐明孕期PM2.5暴露通过HOXA5介导的转录调控导致雄性后代神经元形态发生异常和认知功能障碍，并明确PAHs是主要毒性成分。科学价值在于揭示了环境污染物神经毒性的性别差异机制，为神经发育疾病的干预提供了新靶点（如HOXA5）。应用价值在于提示需优先控制PM2.5中的有机污染物以降低孕期暴露风险。

研究亮点

1. 创新性发现：HOXA5作为PM2.5神经毒性的关键调控因子。
   
2. 方法学优势：结合时序转录组学、神经元形态定量和成分分离技术，系统性解析毒性机制。
   
3. 性别差异聚焦：为环境暴露的性别特异性效应提供了实验证据。
   

其他价值

补充实验显示，雌性后代神经元形态和基因表达无显著变化，进一步支持雄性敏感性的结论。数据可通过通讯作者获取，实验方案已通过山西大学伦理委员会审批（No. SXULL2019025）。