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高旭/黄婧/吴少伟/张玲合作团队发现短期PM2.5暴露会加速基于DNA甲基化的表观遗传年龄

2022927日,环境科学领域权威期刊环境科学与技术杂志《Environmental Science & Technology》(IF11.357)在线发表了北京大学公共卫生学院高旭、黄婧副研究员与西安交通大学公共卫生学院吴少伟教授、首都医科大学公共卫生学院张玲教授合作研究成果,论文题为 “Short-term Exposure of PM2.5 and Epigenetic Aging: A Quasi-Experimental Study ”(PM2.5的短期暴露与表观遗传衰老:一项准实验研究,https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c05534)。研究在北京市2017-2018年几次大气PM2.5污染事件(PPW)发生前,发生时和发生后对26名健康成年人进行了重复健康体检,获得生物样本并在实验室内检测一系列生物标志物,基于DNA甲基化多个位点的甲基化水平计算获得7表观遗传年龄(epigenetic age)用以反映衰老水平,并通过测定多种凝血标志物、氧化应激标志物和炎症因子,探讨PM2.5的致衰老效应是否通过相关机制介导。研究发现短期PM2.5暴露可通过以上生物学机制介导人体表观遗传年龄增加。

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表观遗传年龄是一种以DNA甲基化为基础的生物衰老标志物,已被发现可用于预测衰老相关的疾病风险。虽然,近年来我国年平均空气污染水平已经大幅下降,但短期的空气污染事件仍时有发生,并可能加速人口老龄化。到目前为止,人们对PM2.5短期(<1周)暴露与表观遗传年龄之间的关系仍然知之甚少,因此,本研究旨在探索PM2.5污染事件自然发生时,短期PM2.5暴露是否会改变基于DNA甲基化的表观遗传年龄此外,由于凝血、氧化应激和系统性炎症可能是PM2.5加速人体衰老的潜在机制,研究也探讨了部分相关标志物的变化是否可以中介PM2.5对表观遗传年龄的影响。

研究在北京大学学生中招募了32名健康志愿者(其中26人完成全部研究内容并纳入分析),从“空气质量指数”网站(http://aqicn.org/city/beijing/)上获取大气PM2.5污染事件发生前后几天的空气质量预报信息,在污染事件发生前,发生时和发生后3个时间点对志愿者进行重复健康体检。并对志愿者活动的室内和室外场所进行PM2.5的检测,计算每次健康检查前0-24小时和24-48小时暴露窗口的时间加权个人PM2.5暴露水平。

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1 研究设计流程图

研究首先评估了PM2.5污染事件发生前,发生时和发生后这3个阶段7种表观遗传年龄[AAHorvath)、AAHannum)、AAPhenoAge)、AAGrimAge)、DunedinPoAmMSepiTOC]指标的变化情况。对7种表观遗传年龄进行标准化(z-评分),以统一不同算法的数据尺度。接着通过混合线性回归模型分析了表观遗传年龄的变化(ΔEAs)和时间加权的个体PM2.5暴露浓度之间的关联。之后进行中介分析(mediation analysis),探讨PM2.5与表观遗传年龄的关联是否由液血标志物、氧化应激标志物或炎症因子的水平变化所介导。

结果发现,健康检查前0-24小时的个体PM2.5暴露与6种表观遗传年龄存在显著关联。个体PM2.5暴露浓度每增加10μg/m3 (0-24h)AA (Horvath)AA (Hannum)AA (GrimAge)DunedinPoAmMSepiTOCz-评分变化量分别增加0.0350.0350.0500.0550.0520.037个单位。24-48小时个体PM2.5暴露浓度与所有表观遗传年龄的关联较弱。其中PM2.5浓度每增加10μg/m3 (24-48h)AA (GrimAge)DunedinPoAmMSz-评分变化量仅分别增加0.0300.0480.033个单位(P<0.05)。


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1 0-24小时和24-48小时个体PM2.5暴露水平与7表观遗传年龄的相关性

研究进一步发现个体PM2.5暴露与AA (GrimAge)DunedinPoAmMS变化之间的关联均主要通过细胞外超氧化物歧化酶(EC-SOD)的变化介导(介导比例为12.8% ~ 28.1%),部分通过可溶性CD40配体(sCD40L)的变化介导(介导比例为0.6% ~ 10.7%)。其他的生物标志物包括sP-selectin8-isoPGF2α、MDCMIP-1β等也可以介导部分效应(介导比例>5%)


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2 凝血、氧化应激和系统性炎症途径的中介效应分布图


本研究结果表明短期PM2.5暴露可通过凝血、氧化应激和系统性炎症途径加速DNA甲基化谱反映的衰老,提示仍需关注空气污染短期暴露的不良健康效应。


高旭、黄婧副研究员为本文的共同第一作者,吴少伟教授、张玲教授为本文的共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划(2017YFC0211601,2016YFC0900603,2016YFC0207103),国家自然科学基金(82073509),北京市自然科学基金(7192098),环境毒理学北京市重点实验室开放课题和北京大学医学部科研启动经费(BMU2021YJ044)等项目的资助。

(北京大学公共卫生学院)