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2022年9月2日蒋超实验室在iMeta发表长篇综述描绘环境暴露组全景景观

时间:2022年09月05日 访问次数:0

2005年,癌症流行病学家Christopher Wild首次提出了对应于“基因组”概念的“暴露组exposome)”概念——生物体整个生命过程中接触的所有环境暴露物。2012年,暴露组的范围进一步扩大,主要被分为内部、特定外部和一般外部三大暴露组,从而囊括了身体的内部环境(即体内暴露人所接触的特定外部组分(即环境暴露)以及人生活的社会、文化和生态背景(人文社会暴露)。暴露组概念的提出旨在关注非遗传因素对健康影响,填补了基因组及相关生命组学研究的空白(图1)

 

1 暴露组的组成部分及其对健康的影响以人类为例

20229月2日,浙江大学生命科学研究院蒋超组在iMeta杂志在线发表了题为“Charting the landscape of the environmental exposome”的文章。该文章系统总结了空气土壤和水三大环境及其子环境中的生物和化学暴露物组成及动态变化特征,重点强调了环境暴露与疾病的紧密联系进一步讨论生物、化学和物理暴露组之间的相互作用提出了环境暴露研究所面临的一系列挑战,呈现了一幅详细的环境暴露组全景景观图(图2)

环境中的生物暴露物是多种多样且高度动态的,涵盖来自各个界(kingdom)难以计数的物种,包括细菌、真菌、植物、动物、病毒古菌及其他真核微生物大量微生物可表达各类抗性与毒力因子。空气中存在数以百万计的生物气溶胶,包裹着微生物、花粉、原生动物、皮肤碎屑等;土壤是复杂生物群落的栖息地,包括细菌、古菌、真菌、原生动物、病毒植物、昆虫、线虫等河流、湖泊和海洋既是饮用水供应系统的输入,又是废水处理系统的输出,有大量的原核和真核的微生物可充斥在系统内,在循环用水过程中,暴露组可以在三者之间传播。

自1950年来人类合成了超过14万种化学品和杀虫剂真菌细菌和植物是天然化学物质的主要生产者。空气PM、臭氧、氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳和铅美国环保局定义的六种无机污染物,常见于多种空气环境中。室内空气暴露中的有机污染物可源自烹饪、燃烧、建筑材料、家具、个人洗护产品等;全中国每年由烹饪产生并排放的挥发性有机化合物(VOC)可达六万吨以上土壤中一些化学污染物(如重金属和持久性有机污染物)不能被降解,并在土壤环境中积累。这些难降解化合物可以沿食物链转移和富集,并可能人类健康产生短期长期影响农田无机污染物主要来自氮肥磷肥其他无机农药,它们影响土壤性质污染径流水。各类水体中常见的无机成分包括氢离子、羟基和碳酸氢盐离子、氯化物、氮、磷、硫和重金属。溶解性有机物(DOM在水生系统中无处不在,构成了地球上最大的动态有机碳库之一。海洋环境中有大量的DOM,其总碳含量与大气相当自然过程和人为活动的影响下,地表水中充斥着DOM,其中一些DOM对生物体有很强的毒性作用。

人们历来关注与急性疾病相关的短期生物暴露物,如各类致病菌和病毒。然而长期接触某些生物暴露的影响在很大程度上是未知的。科学家们已经开始认识到生命早期暴露对免疫系统发育的影响,可能对生命后期的身体健康产生深远影响。了解致病性和机会性生物暴露物在外部和内部环境中分布以及它们演变规律,对于控制传染性和机会性疾病至关重要。有害的化学暴露可能对人类健康产生短期或长期影响。由于与暴露物关联的疾病症状可能会延迟出现,且亚健康状态容易被人们忽视,很难将特定的暴露与某些慢性疾病联系起来,如癌症、心血管疾病某些神经系统疾病。人们应当进一步调查化学暴露物对人群健康的影响,有针对性限制有害物质排放

暴露的不同组成部分时时刻刻都在发生相互作用。在该综述的暴组概念框架下,传统的环境因素,如温度、湿度、pH值和盐度,也被视为暴露的一部分。风可以吹送生物和化学暴露物向更远的地方传播。细菌介导的生物化学反应可以改变土壤的理化性质,从而直接或间接地影响植物生长。从这个角度来看,环境因素对暴露的影响可以被视为物理、生物和化学暴露之间的相互作用。在跨学科领域的共同努力下,解析这紧密交织的互作关系,对未来构建系统的暴组网络至关重要。这些相互作用也正在被人们应用于日常的生产生活。

 

图2 环境暴露组景观图及相互作用 

暴露组学是一门研究生命体一生中接触的所有暴露物及其与疾病健康关系的新兴领域源自自然环境和人文社会的暴露物共同组成了人类暴露组。环境中的生物、化学和物理暴露物对人类健康特别是易感人群具有潜在威胁。虽然环境暴露组研究仍处于早期积累阶段但是人们已经开始认识到暴露组的广泛性动态变化性在该综述的最后,作者提出了暴露组研究中九大亟待解决的问题,建立基于精准医学和多组学的暴露组研究范式。综上所述,该文详细地描绘了环境暴露组全景景观图以期引导更多研究人员了解并加入暴露组这一新兴领域。

 

图3  暴露组研究所面临的挑战及新研究范式

蒋超实验室博士生魏昕为第一作者,黄子诺、蒋刘一琦为共同第二作者,其他参与作者为生命科学研究院的博士生李悦耳、美国斯坦福大学的张馨月博士以及北京大学医学院的冷玉鑫教授。通讯作者为蒋超研究员。

原文链接:https://doi.org/10.1002/imt2.50