甲醛(formaldehyde,FA)在经济发展中具有重要地位,全球数百万人遭受着来自环境和职业方面的甲醛暴露。某些职业环境往往会产生高水平的甲醛,例如木材加工业和防腐行业及病理学实验室。汽车发动机、烟草烟雾、木质家具、地毯等家用材料所引起的较低水平甲醛环境暴露则使更多人的身体健康受到影响。此外,与一氧化氮(NO),一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)类似,甲醛也能够通过多种生化途径内源性产生,并且在生物系统中可以发挥多种生理作用。作为一种普遍存在的环境污染物,甲醛引发的健康效应受到了人们的广泛关注。大量研究表明,甲醛可引发急性毒性和刺激性、氧化应激和炎症反应、遗传毒性、神经毒性、心血管效应和致癌性等多种毒性效应。有研究表明内源性甲醛在生理层面具有一定的心血管效应,可损伤血管内皮细胞,与动脉粥样硬化发病相关,且可以引起血管舒张。早期更有研究提出假说,内源性甲醛可能在机体中充当一种新型的气体信号分子。但仅有的相关研究非常有限,目前关于内源性甲醛的心血管效应仍然具有很大的空白,关于其作为气体信号分子的假说仍待探究。另一方面,甲醛已被国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)归类为第Ⅰ类人类致癌物,可引发鼻咽癌。此外,甲醛被美国国家毒理学计划(National Toxicology Program,NTP)归类为髓性白血病原,与髓系白血病发病相关。然而关于甲醛致白血病的结论仍存在争议,因为许多经典的白血病原可以直接破坏骨髓中的造血干/祖细胞(HSC/HPC),而甲醛作为最小且反应性极高的醛类,无法通过吸入暴露到达骨髓。最近的一项突破性研究表明,小鼠的肺部含有功能性的HSC/HPC,可以产生血细胞并在肺部和骨髓之间双向运输。因此,这一最新发现构成了本研究假说的基础,即吸入甲醛并非直接诱导产生骨髓毒性,而是在小鼠的肺和/或鼻中引发HSC/HPC毒性。前期一些研究采用酵母模型进行了功能性毒理基因组学筛选,鉴定出许多甲醛毒性调控的相关基因和细胞途径。尽管如此,目前尚不清楚人源细胞中进行甲醛毒性调控的特定基因、途径及作用机制。因此,本研究在对内源性和外源性甲醛的生理和毒性效应进行探究的基础上,进一步采用功能丧失性全基因组CRISPR筛选以鉴定K562细胞(人类白血病细胞系)对于甲醛毒性的调控机制。如下所示为本研究主体进行的三方面工作:(1)采用离体血管环灌流装置模拟人体内环境,本研究开展了关于内源性甲醛引发大鼠主动脉舒张作用及其可能机制的相关探讨。研究表明,甲醛对于大鼠主动脉血管环的舒张效应具有浓度依赖性。此外,采用甲醛处理大鼠离体主动脉环时,NO/cGMP途径显著上调。另一方面,甲醛使得大鼠主动脉环血管平滑肌上的大电导Ca2+激活的K+(BKCa)通道亚基蛋白α和β的表达增加。此外,甲醛对大鼠主动脉环进行孵育后可显著提升其ATP敏感的K+(KATP)通道亚基蛋白Kir6.1和Kir6.2的表达。反之,L型Ca2+通道(LTCC)亚基Cav1.2和Cav1.3的表达水平随着甲醛浓度的升高显著下降。本研究初步表明甲醛对血管收缩性的调节可能是通过对NO/cGMP途径的上调和对离子通道表达的调控(包括上调KATP和BKca通道的表达以及抑制LTCC的表达)实现的,而甲醛诱导血管舒张的深入机制仍需进一步探究。(2)为了检验上文中提到的甲醛致白血病新型假说,本研究采用骨髓和脾脏作为对照,成功地于小鼠肺和鼻中培养出红系爆发式形成单位(BFU-E)和粒性白细胞、巨噬细胞集落形成单位(CFU-GM),并进一步表明在3 mg/m3甲醛吸入暴露或400 μM甲醛体外暴露均能减少小鼠肺和鼻中两种集落类型的形成。本研究第一次揭示了甲醛暴露能够损伤小鼠远离骨髓的器官肺和鼻中HSC/HPC,这表明小鼠的肺/鼻(而非骨髓)可能是甲醛暴露诱发白血病的靶标部位,而甲醛导致的小鼠肺和鼻中HSC/HPC毒性为甲醛吸入相关的白血病发生提供了潜在的生物学可能性,而深入的致病机制仍需进一步研究。(3)采用全基因组CRISPR筛选,本研究选取第8天和第20天作为两个时间点,评估了K562细胞对不同剂量甲醛(40、100和150μM)的敏感性和抗性的遗传决定因素,确定了多个候选基因在缺失之后能够增加细胞对甲醛的敏感性(例如ADH5,ESD和FANC家族)或抗性(例如FASN和KMD6A)。通路分析表明甲醛代谢和DNA同源修复(HR)途径在细胞对甲醛耐受中起主要作用,这与前人的研究结果相一致。采用通路分析,本研究进一步揭示了一碳代谢、脂肪酸合成和mTOR信号传导在调节甲醛的细胞毒性方面可能具有重要作用。这些新发现有待进一步验证以增强目前对于甲醛引起细胞毒性的理解。此外,本研究对CRISPR功能基因组学筛选在其他环境化学物质方面的应用具有一定的参考价值。综上所述,本研究通过实验证实了内源性甲醛在机体内可能充当另外一种气体信号分子。此外,本研究首次在小鼠肺和鼻中的造血干/祖细胞中培养出集落,并提出肺/鼻可能是甲醛引发白血病的靶标部位,从而为甲醛致白血病的生物学可能性提供了有力的证明。进一步,本研究采用CRISPR筛选从全基因组层面对甲醛引发细胞毒性中相关的易感基因和生物学途径进行探究,并从中发现了新的分子机制和途径,这也为今后深入了解甲醛毒性开辟出新的切入点。