微波辐射对雄性大鼠生殖系统的昼夜时间毒性及分子机制

摘要

目的:微波辐射(Microwave Radiation, MWR)是一种重要的环境电磁污染物(EEPs),因无线通讯技术的快速发展,特别是全世界手机用户的急剧增加而备受关注。由于微波辐射可对雄性生殖系统产生不良的影响,明确其作用途径和损伤机制已成为迫切任务。已知哺乳动物的生理功能和行为存在昼夜节律,机体在24小时中不同时相对毒物及微波辐射敏感性不同。本课题采用时间生物学和生殖内分泌毒理学相结合的策略,在建立微波辐射动物模型的基础上,研究微波辐射对雄性生殖系统和褪黑素(Melatonin,MEL)分泌的昼夜时间毒性,以及褪黑素通过GATA-4/SF-1信号通路抑制睾酮合成的作用机制,为微波辐射对生殖功能损害的防治提供新的思路。
　　方法:(1)微波辐射对雄性大鼠生殖系统的昼夜时间毒性。以褪黑素日节律筛选具有昼夜(L:D,12h:12h)节律的SD大鼠,分别在授时时间(zeitgeber time,ZT,以ZT0为光照开始)ZT0,ZT4,ZT8,ZT12,ZT16和ZT20进行微波辐射(1800MHz,205μw/cm2),每次2h,每天一次,连续32天。对应的假辐射组(Sham)同样处理但不给予微波信号。辐射后24h内每隔4h尾静脉采血一次,ELISA法测定睾酮含量;同时Sham和MWR各时点组在辐射结束时点采集睾丸和附睾组织。测定附睾精子活动度;制作睾丸 HE病理切片,测定睾丸每日精子生成量、睾丸标志酶ACP和γ-GT活性,Real-time PCR检测睾酮合成基因StAR和p450cc mRNA表达。利用余弦节律分析软件,根据方程式F(t)=M+Acos(ωt+Φ)将各指标数据拟合为余弦曲线,分析节律参数。
　　(2)微波辐射改变大鼠褪黑素分泌的昼夜节律。微波辐射方法同上,辐射32天后,24h内每隔4h尾静脉采血一次,ELISA法检测血浆褪黑素浓度,同时Sham和MWR各时点组在辐射结束时点采集松果体,Real-time PCR测定褪黑素合成酶NAT mRNA的表达。节律分析同上。
　　(3)褪黑素抑制睾酮分泌的信号通路及微波辐射对睾丸间质细胞睾酮分泌的影响。以小鼠睾丸间质细胞系(TM3)细胞作为研究对象,添加不同浓度(0,10-6,10-8,10-10和10-12mol/L)的褪黑素,或先添加褪黑素受体阻断剂(Luzindole,1μmol/L)再加褪黑素,MTT法检测细胞增殖、流式细胞仪检测线粒体膜电位、ELISA法检测睾酮和cAMP,Real-time PCR和Western blotting测定褪黑素受体和睾酮相关基因GATA-4,SF-1,StAR,P450cc和3β-HSD的mRNA和蛋白的表达。通过睾丸注射褪黑素,利用免疫组化和免疫荧光方法以整体动物实验验证褪黑素抑制睾酮合成的信号通路。采用TM3细胞进行体外培养,在1800MHz微波辐射(205μw/cm2)2h后,流式细胞仪检测线粒体膜电位,ELISA法测定睾酮和cAMP含量,Real-time PCR测定睾酮代谢调节因子相关基因SF-1、StAR和P450cc mRNA表达的改变。
　　结果:(1)微波辐射可使雄性大鼠睾丸组织发生病理改变,降低睾丸每日精子生成量、精子活动度、睾丸标志酶ACP和γ-GT活性,其中ACP和γ-GT活性以及每日精子生成量的下降在ZT0时辐射的MWR0组最为明显。微波辐射还可改变血浆睾酮的昼夜节律,其中MWR0、MWR8、MWR12和MWR20组的昼夜节律消失,同时MWR0组大鼠血浆中睾酮的日均值水平下降最大。睾酮合成调控因子StAR和P450cc的mRNA表达在微波辐射后失去昼夜节律,且MWR0变化最大,提示大鼠雄性生殖系统对微波辐射最敏感的时点为ZT0:00。
　　(2)微波辐射降低褪黑素的日均分泌量,其中以MWR16组最为明显。微波辐射扰乱褪黑素合成的昼夜节律,其中MWR8,MWR16和MWR20组的血浆褪黑素昼夜节律被破坏,而振幅变化在MWR16组最为明显,表明在ZT16:00时微波辐射对大鼠血浆褪黑素节律的影响最大。MWR后松果体NAT基因表达的昼夜节律改变,以ZT16时下调最为明显,同时表达的中值和振幅明显改变,峰值相位明显滞后。
　　(3)褪黑素在体外可抑制TM3细胞增殖,降低睾酮含量,减少细胞内cAMP浓度,改变线粒体膜电位,下调核转录因子GATA-4及其目标基因SF-1,StAR,Cyp11A,HSD3β的基因和蛋白表达。褪黑素的这些抑制作用可被褪黑素受体阻断剂Luzindole所拮抗,特别是在褪黑素高水平作用时。大鼠睾丸组织注射褪黑素后0.5h、1h、2h,血浆中睾酮含量降低,睾丸间质细胞膜受体Mel1a,GATA-4和SF-1表达减弱,4h后上述效应消失。微波辐射后TM3细胞上清睾酮含量降低,细胞内cAMP浓度和线粒体膜电位水平下降,睾酮合成调节因子SF-1,StAR,P450cc基因表达下调。
　　结论:
　　1、建立了微波辐射大鼠的动物模型,发现微波辐射对雄性大鼠的生殖功能和睾酮内分泌具有昼夜时间毒性。
　　2、微波辐射可改变褪黑素分泌和褪黑素合成酶NAT mRNA的昼夜节律,并通过褪黑素介导对雄性大鼠生殖功能的时间毒性。
　　3、体内外实验证实褪黑素通过GATA-4/SF-1信号通路抑制睾酮分泌,其中GATA-4因子起着关键性的作用。

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引言

第一部分 微波辐射对雄性大鼠生殖系统的昼夜时间毒性

第一节 微波辐射对大鼠精子生成的昼夜时间毒性

第二节 微波辐射对大鼠睾酮代谢的昼夜时间毒性

第二部分 微波辐射改变大鼠褪黑素分泌的昼夜节律

第一节 微波辐射改变血清褪黑素含量的昼夜节律

第二节 微波辐射改变褪黑素合成酶mRNA表达的昼夜节律

第三部分 褪黑素抑制睾酮分泌的信号通路及分子机制

第一节 褪黑素/阻断剂致睾丸间质细胞睾酮合成的改变

第二节 褪黑素调控睾酮合成的GATA-4/SF-1通路

第三节 褪黑素抑制睾酮合成通路的动物整体验证

第四节 微波辐射对睾丸间质细胞的损伤

结论

参考文献

综述

研究生期间参与的科研项目和成果

中英文缩略语对照表

致谢