水体污染具有明显的复合性特征,低浓度、种类复杂的有毒有害污染物共存,研究水体复合污染对水生态系统和人体健康的影响具有重要意义。人骨髓间充质干细胞具有自我更新和多向分化潜能,用于评价化学物毒性的结果与人体健康高度相关,而斑马鱼作为标准水生模式生物,与人类基因具有高度同源性。选择斑马鱼和人源干细胞研究水体复合污染造成的有害效应,有利于跨物种毒性效应的预测和评估,阐明水体污染所致生态危害和人体健康效应之间的分子毒理学关联。相比基于特定毒性测试终点的毒性测试,毒理基因组学更有利于全面预测早期生物学效应以及进行跨物种毒性评估,针对复杂环境样品的毒理基因组学研究刚刚起步,水体污染程度及污染物组成特征与基因表达谱之间的关系尚不清楚。本研究以浑河水体复合污染为例,在部分监测断面采集地表水样品,采样点代表不同污染程度和受纳污水类型。分别测试了地表水对斑马鱼和人干细胞基因表达谱的影响,分析了基因表达谱变化与污染程度和污染物组成特征之间的关系,识别地表水诱导斑马鱼和人干细胞中差异表达的同源基因,预测并验证地表水对斑马鱼和人细胞的共性毒性效应。本文主要的研究内容和结果如下:(1)研究浑河典型监测断面地表水对斑马鱼基因表达谱的影响。采用斑马鱼表达谱芯片测定暴露于7个浑河不同断面水样中96 h后肝脏基因表达谱的变化。结果显示,地表水暴露使斑马鱼肝脏中表达显著变化(FC≥2)的基因数量在728-3292个,且差异表达基因(DEGs)的数量与化学需氧量显著正相关(r=0.788,p=0.038)。对DEGs进行通路富集分析,发现受干扰的主要有过氧化物酶体增殖因子活化受体信号通路和类固醇生物合成信号通路。细胞生长抑制和DNA损伤基因(gadd45)和细胞分裂周期基因(cdc)的表达分别上调3.9-12倍和3.7-6.1倍,且细胞周期通路受干扰,提示地表水对斑马鱼的潜在遗传毒性。对DEGs进行聚类分析和主成分分析,可以将浑河支流水体与干流水体、城市上游和下游水体作用下斑马鱼表达谱进行区分。结果提示斑马鱼基因表达谱特征能够揭示地表水污染物多种潜在有害效应,反映地表水污染程度和区分受纳行业废水类型。(2)分析浑河地表水对人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)基因表达谱的影响。地表水在相对浓缩倍数(REF)为5-20的浓度下对hBMSCs细胞活性的抑制率为9.7-52%,并且呈现剂量依赖性。基因芯片结果显示,暴露于无细胞毒性浓度的地表水样,hBMSCs中DEGs(FC≥2,p<0.01)数量为533-1055个。通过DAVID对DEGs进行通路富集分析,发生异常的通路主要包括遗传信息处理、人类疾病相关通路。人类疾病相关通路中,白介素基因(ILIB、IL6和IL8)均被显著富集。类风湿性关节炎信号通路受干扰以及I型胶原α1基因(COL1A1)表达下调,提示地表水可能影响细胞成骨分化。对DEGs聚类分析和主成分分析,发现基因表达谱特征可区分干流水体和支流水体。结果提示hBMSCs基因表达谱特征能够揭示地表水污染物的潜在健康危害,并区分受纳行业废水类型。(3)分析地表水作用下斑马鱼和hBMSCs基因表达谱变化的关联。通过NCBI同源基因数据库,获取斑马鱼和人类之间的同源基因,识别斑马鱼和人干细胞受地表水暴露干扰的差异同源基因(DEOs)。结果发现,斑马鱼和人类共12017个同源基因中,斑马鱼芯片中311-1477个DEOs受干扰,hBMSCs芯片中402-768个DEOs受干扰,202个DEOs在两个物种中均被干扰。对DEOs进行通路分析,粘着斑通路和ECM受体相互作用通路在两个物种中均被富集,这两个通路与肿瘤生长密切相关。进一步分析DEOs调控的生物学过程,发现斑马鱼和hBMSCs的核苷酸代谢过程均受到地表水暴露影响。结果提示地表水暴露对斑马鱼和hBMSCs产生的共性潜在毒性效应主要为遗传毒性。(4)研究浑河地表水对斑马鱼和hBMSCs的遗传毒性。彗星实验结果显示地表水在60-100%浓度下,导致斑马鱼肝脏细胞DNA损伤高于对照组88-1072%。氧化应激测试发现,斑马鱼肝脏细胞中丙二醛含量高出对照36-242%。所有采样点水样均对hBMSCs产生了遗传毒性,且下游水体对hBMSCs的遗传毒性强于上游水体。qPCR实验发现,浑河水体使hBMSCs中参与DNA损伤修复的RAD23A、HSP90AA1和STIP1基因表达上调,维持DNA稳定的GADD45A基因表达下调。地表水不同极性组分中,非极性组分(NPF)对细胞氧化损伤作用、DNA损伤和对细胞分化的抑制作用强于中等极性组分(MPF)以及极性组分(PF),说明水体中强毒性物质为非极性组分。遗传毒性实验结果与基因芯片预测结果一致,地表水暴露对斑马鱼和hBMSCs均产生较强的遗传毒性,说明斑马鱼和人干细胞基因表达谱信息有助于对地表水污染的遗传毒性进行跨物种预测。综上,浑河典型监测断面地表水诱导斑马鱼和hBMSCs基因表达谱发生异常变化,揭示地表水污染可能导致遗传毒性、内分泌干扰效应和免疫毒性等多种潜在有害效应。斑马鱼和人干细胞基因表达谱特征可有效反映地表水污染程度、区分受纳行业排水类型,以及对遗传毒性进行跨物种预测。研究揭示了地表水对斑马鱼和人源细胞毒性效应的转录组学关联,提示基因表达谱的异常变化,有助于全面、灵敏地预测地表水复合污染的生态和健康危害。