虽然人类有许多对环境污染物的感受器，但大多数时候人类在暴露后没有获知相关的刺激信息。例如，人类有内毒素受体TRL4，吸入暴露后会触发许多生物事件，直到相关信号转化为炎症生物标记物，如IL-6、TNF-a，继而出现临床疾病症状等。如果在这些蛋白表达足够量前就能探测到特征性的物质排放，将有助于帮助识别疾病即将发生的信号。基于这种想法，团队前期发现当大鼠暴露有毒物质包括内毒素、蓖麻毒素等在内的空气污染物时，在很短的时间内发现了基于不同污染物的呼出气中VOC的特征指纹。通过监测大鼠呼出气中VOC指纹的变化，可以实现对空气毒性的实时预警。在新冠肺炎疫情，团队同样发现新冠病毒气溶胶作为一种病原体，被吸入人体后会对代谢活动有扰动，从而通过呼吸排放特定指纹的呼出气VOC，通过检测VOC指纹可以实现新冠肺炎的快速筛查，结合机器学习的方法灵敏度可达95%。团队在国际上最早报道新冠肺炎呼出气挥发性有机物标志物，早在2020年6月就将相关研究发布在医学预印本平台（MedRxiv）。 2022年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）紧急授权批准了美国一项通过呼出气VOCs的新冠病毒感染快速筛查方法。北京大学环境科学与工程学院要茂盛课题组的最新人群研究发现呼出气中的丙醇和异戊二烯可以作为短期霾污染暴露的潜在气体生物标志物。这些发现意味着对呼出的挥发性有机化合物的监测可以让我们实时跟踪人类暴露污染物的情况，这样我们就能够在人类出现疾病症状很久之前发现问题，可以作为人类疾病的类似“烟雾探测器”，用于探测从空气、皮肤和消化等不同途径的化学和生物来源的污染物暴露情况。
酿酒酵母细胞应对毒性物质胁迫而释放挥发性有机物的生物学机制
为进一步探究污染物暴露导致特征性VOCs产生的生物学机制，要茂盛团队利用真核模式生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）研究了不同毒性物质（过氧化氢，臭氧）和二氧化碳暴露后细胞VOCs的释放情况，并利用转录组测序对酵母细胞体内发生的转录变化进行了生物通路的富集分析。和大鼠的结果一样，不同的有毒物质暴露导致酵母细胞释放出特征性VOCs。其中酵母菌排放的乙酸乙酯和正丙酸乙酯在本研究中的三种毒性物质暴露后均出现显著差异，可作为未来进行环境毒性监测的潜在标志物。转录组测序结果显示，暴露有毒物质后，酵母细胞内与核糖体、糖类和氨基酸相关的代谢或信号通路发生了显著变化。值得注意的是，糖代谢中从糖酵解向磷酸戊糖途径的转移、以及赖氨酸合成中天冬氨酸途径的抑制对于为酵母细胞提供还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）以应对氧化胁迫至关重要。酵母细胞释放的VOCs变化源于细胞应对环境胁迫而进行的代谢重排，例如挥发性的乙酸乙酯产生于酵母细胞的无氧呼吸，而这一过程有助于减少对细胞有害的乙醛的积累。这项研究进一步证明了活体释放的VOCs可用于监测和防范有毒物质暴露；同时，也对此前在大鼠和人体暴露于空气污染后观察到的呼出气VOCs指纹变化提供了机制上的理解。自此，课题组完成了细胞、动物以及人体水平的有毒物质暴露释放特征性VOC的研究。
酿酒酵母细胞通过重排代谢的抗氧化机制和乙酸乙酯的产生
呼出气样本同样可以像血液、尿液样本一样分析，它包含了大量的疾病信息。呼出气VOC指纹探测与机器学习的集成可以用于精准分析呼出气体中的许多生物标记物，从而可以实现真正意义的疾病早期检测。使用呼吸气生物标志物进行疾病早期检测可能代表着未来疾病预防工作的重大技术进步，可以实现类似的人体环境暴露疾病“烟雾报警器”的功能。在此过程中，无论何时发生暴露，都可能通过呼吸释放出独特的挥发性有机物（VOC）。这一系列研究为未来疾病早期探测、空气毒性（核生化）实时预警、病原体感染监测等一系列问题开阔了新的研究范式。
研究成果以“Gene-regulated Release of Distinctive Volatile Organic Compounds from Stressed Living Cells”为题发表在Environmental Science & Technology上 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c01774)。论文的第一作者为北大环境学院博士生陈灏轩（现为美国UCLA博士后），要茂盛教授为通讯作者。参与该项工作的还包括山东大学王明钰教授，武艳副教授，中国农业科学院的郑云昊助理研究员。该项目主要得到国家自然科学基金重大研究计划集成项目（基金号92043302）、国家杰出青年科学基金（基金号21725701）以及广州国家实验室项目（EKPG21-02）的资助。
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Chen, H.; Zheng, Y.; Wang, M. ; Wu, Y.; Yao, M., Gene-regulated Release of Distinctive Volatile Organic Compounds from Stressed Living Cells, Environ. Sci. Technol. 2022, DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c01774 .
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