微囊藻毒素合成机理的研究进展

环境科学导刊　2008, 27(3) :1-4　　　　　　　　　　　　　　　CN53-1205/X　I SS N1673-9655

微囊藻毒素合成机理的研究进展

钟启升, 李　元, 杨　良

1

1

2

(11云南农业大学资源与环境学院, 云南　昆明　650201;

21云南省环境监测中心站, 云南　昆明　650034)

摘　要:对于MC 的研究目前主要集中在毒理学, 生态影响, 及监测、检测技术等研究领域之中。由

于MC 产毒藻种类繁多, 再加上多达60几种的异构体的存在, 每一MC 产毒藻类体内其mcy 基因并不完全一致, 所以对于MC 的产毒合成机理研究非常困难。但近几年对MC 的产毒合成机理已经有了突破:三种最主要的MC 产毒藻的MC 合成过程已经被阐明。

关键词:微囊藻毒素; 生物合成; 铜绿微囊藻; 浮游蓝丝藻; 鱼腥藻中图分类号:X52　　文献标识码:A 　　文章编号:1673-9655(2008) 03-0001-04　　蓝藻是一种能产生多种毒素的生物, 这些毒素按化学结构可分为:环肽、生物碱、脂多糖。其中一群环肽肝毒素能强力抑制真核丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶1和2A, 称为微囊藻毒素(MC ) , 是由微囊藻(M icr ocystis ) 、浮游蓝丝藻(Plankt 鱼腥藻(Anabaena ) 和颤藻(O MC 。据推测MC , 并能阻止蓝藻周围的如桡足类甲壳动物的吞食。还有的说法是, MC 能像铁载体细胞一样粘合微量金属元素, 比如有报道说MC 对Cu 和Zn 有粘合作用。另外, D itt m ann 等人通过对比微囊藻PCC7806野生型和突变型, 发现它们蛋白质表达有差异, 所以他们支持的说法是MC 的作用是参与细胞信号的发送和基因调节。

对于MC 的研究目前主要集中在毒理学, 生态影响, 及监测、检测技术等领域。由于MC 产毒藻种类繁多, 再加上多达60几种的异构体的存在, 每个MC 产毒藻类体内其mcy 基因并不完全一致, 所以对于MC 的产毒合成机理研究非常困难。但近几年对MC 的产毒合成机理已经有了突破:三种最主要的MC 产毒藻的MC 合成过程已经被阐明。有鉴于此, 本文试图对现阶段有关MC 合成机理的研究进展做一概述。1　分子结构

MC 的一般结构为:环

　收稿日期:2008-03-03

[2]

[1]

Mdha -D -A la -L -X --A s p -L -Z -) 。其

中:L ; A s p 为D -赤-β-; s, 3s, 8s, 9s ) -3-9--2, 6, 8-三甲基-10-苯基--; Mdha 为N -甲基脱氢丙氨酸。X

Z 为两种可变的L -氨基酸。构成环状七肽的7

个氨基酸, 其中5个是非蛋白质氨基酸, 2个(2、4点位) 是蛋白质氨基酸。根据甲基化程度, 羟基

化作用, 差相异构作用, 2、4位氨基酸的不同, 缩氨酸顺序及毒性不同, 目前已从不同微囊藻菌株中分离、鉴定了60多种MC 异构体2　合成机理

211　mcy 基因、NRPS 和PKS

21111　mcy 基因———微囊藻毒素合成酶基因

[3]

。

对微囊藻的遗传分析起步于对微囊藻毒素合成酶基因的克隆及其功能的研究。N ishiza wa 应用PCR 技术, 从藻种分类学角度做了一些探索性工

作, 利用PCR 技术分离得到多肽合成酶编码的微囊藻染色体的DNA 片段, 发现能产毒的微囊藻都含有mcy 基因, 没有mcy 基因或mcy 基因缺活都不能产生MC 却不产毒(PKS )

[5]

[4]

, 而不产毒的微囊藻大多数都没有

mcy 基因, 但是也有一些微囊藻含有mcy 基因, 但

。

21112　无核糖缩氨酸酶(NRPS ) 和聚酮化合酶

生物化学和遗传学研究指出MC 的生物合成有

(Adda -D -Glu -

大型的无核糖缩氨酸酶和聚酮化合酶基因簇的参与。无核糖缩氨酸酶和聚酮化合酶的源生物质是MC 生物合成的关键。尽管聚酮化合物和无核糖缩

—1—

环境科学导刊　第27卷　第3期　2008年6月氨酸在结构上毫无联系, 但它们的合成方法却是惊人一致。这两组代谢物都是由大型的, 多功能的, 用于组成生化酶位点模板的并行基因簇的许多蛋白化合物合成的。其中每一个生化酶位点模板都负责一个聚酮化合环或聚酮化合链的构建与延伸。这些模板的顺序, 以及模板内部的催化片段的数量和类型, 决定着随后合成的聚酮化合物或缩氨酸产物的

[2, 6, 7]

结构。212　三种产MC 蓝藻的MC 合成21211　铜绿微囊藻中MC 的合成

微囊藻是一种单细胞群体藻属。Daniel Tillett 等人在2000年报道了铜绿微囊藻PCC7806中的MC 合成机制, 这是详细描述MC 合成全过程的第

[6]

一篇文章。

Daniel Tillett 等人对铜绿微囊藻PCC7806中与MC 合成有关的长达55kb 的基因片段进行观察, 发现了MC 合成酶基因(mcy 基因) , 它们由10个开放阅读框(ORFs ) 组成, 按其不同的转录方向可分为两个操纵子, 其成员分别是mcy ABC 与mcy DEFGH I J (见图1) 反, 但却一先一后进行编码, mcyI, 然后接着从mcy 。I J 操

囊藻高, 生成主要MC 类型也与微囊藻产生的不

一样, 浮游蓝丝藻主要生产RR 。

Christiansen, G 等人从2003年对从浮游蓝丝藻属agardhii CY A 126中取得长达5516kb 的mcy 基因簇进行了测序和分析。这一基因簇包含了缩氨酸合成酶mcy ABC, 有两个聚酮化合物合成酶模板的mcy D, 具有PKS 和NRPS 双模板的mcyEG, 理论硫脂酶mcyT, 理论ABC 传送子mcyH, 和理论缩氨酸修饰酶mcyJ 。浮游蓝丝藻中没有mcyF 和mcyJ, 但比微囊藻多了mcyT 。在浮游蓝丝藻和微囊藻中mcyG -a 片段结构高度一致, 因此, 在这两种藻中的Adda 的结构也是100%一致。浮游蓝丝藻中除了mcyT, 其他都是以一个方向进行摘录, 可以看成是一个统一的操纵子(见图1) 。其合成

[

7]

顺序基本与微囊藻一致。

[9]

纵子中mcy D , mcyE 的, 羧基端含有一个缩氨酸合酶模板, mcyF 与氨基酸消旋酶具有相似性。mcyG 的羧基端含有一个聚酮化合酶模板, 氨基端含有一个缩氨酸合酶模板, 与mcyE 相反。

MC 的合成启始于mcyG 中聚酮合成酶激活Adda 的合成, mcyG -a 片段含有一个酰基辅酶A, 这一片段据推测能激活Adda 的前体之一的乙酸苯酯从而使合成开始。Adda 的合成由大的操纵子成员mcy DEFGH I J 编码完成。mcy DEG 负责编码PKS -NRPS 混合模板, 该模板能催化促使七肽源生物β-氨基酸Adda 的生成并使Adda 与D -谷氨酸相连接; 而mcyF 和mcyH -J 具有前体功能和终止功[6]

能。紧接着是由较小的操纵子完成, 较小的操纵子mcy ABC 只编码缩氨酸合成酶模板, 负责激活并合成MC 中的5个氨基酸。该模板促使双肽的延

[8]

伸直至成为七肽链随后结环。其他两种藻毒素的MC 合成过程也与微囊藻的基本一致。21212　浮游蓝丝藻中MC 的合成浮游蓝丝藻是一种丝状游动藻类。单株的浮游蓝丝藻agardhii 同时可以生产6种不同的无核糖缩氨酸。另外, 浮游蓝丝藻产生的MC 生成速率比微—2—

图1　三种藻mcy 基因的对比及其转录方向

21213　鱼腥藻中MC 的合成

丝状异型胞藻类鱼腥藻也是主要的MC 产毒藻。它除了能产生MC, 还产生另外两种环肽, 两

[10]

种anbaenopep tilide, 和三种鱼腥藻毒素。

Leo Rouhiainen 等人在2003年对鱼腥藻株系90中总长为5514kb 的mcy 基因进行测序, 发现它有9个mcy 基因, 分为三个操纵子:第一个为mcy ABC 其转录方向与第二个mcyG DJEF I 和第三个mcyH 相反(见图1) 。mcy ABC 负责编码无核糖体

肽合酶NRPS; mcy D 编码聚酮化合酶PKS 。mcy DGE 负责编码Adda 的合成, 其中mcyE 还负责激活谷氨酸, 并促使它与Adda 的联结; 另外mcy 2。mcyJF I 分别与

编译甲基转移酶、天冬氨酸盐消旋酶、D -3-磷酸甘油酸盐脱氢酶的三种基因片段结构、功能相似, 并具有修尾功能。mcy B 的第一个模板中负责编码腺苷酸的片段与mcyC 的第一个模板负责编码GE 是NRPS -PKS 双模板基因

[2]

腺苷酸的片段有96%的相似度, 可能这两个模板结构有很大的重复。mcyH 可能参与MC 在藻体内

[10]

的传送。其合成顺序基本与微囊藻一致。213　异构体的形成

微囊藻毒素合成机理的研究进展　　钟启升

在MC 的分子结构中, 2位点和4位点可以连

接可变的L -氨基酸, 用X 和Z 来表示。根据甲基化程度, 羟基化作用, 差相异构作用, 2、4位氨

[2]

基酸的不同, 缩氨酸顺序及毒性不同, 目前已从不同微囊藻菌株中分离、鉴定了60多种MC 异构体。其中毒性较大的三种XZ 组合MC 为:MC -LR 、MC -RR 和MC -YR, 其中L 、R 、Y 分别代表Leu (亮氨酸) 、A rg (精氨酸) 和Tyr (酪氨

[11]

酸) 。在这三种之中毒性最强的是LR, RR 毒性

[12]

相对最弱。

一般而言, mcy A, mcy B 和mcyC 负责合成Mdha, D -A I a, L -X, D -meas p 和L -Z 。在对

可以总结以下三个差异:

①基因编码排序不同:见图1。②基因成员不同:见图1。③基因内容差异大:总的来说鱼腥藻株系90, 铜绿微囊藻PCC7806和浮游蓝丝藻agardhii CY A 126的mcy 基因的相似度不高, 三种藻基因的编码

内容只有74%是完全一致的。单个mcy 基因片段

[2]

的对比差异则介于67～81%。4　研究展望

蓝藻能产生许多的初级和次级代谢物, 对这些物质的研究能为蓝藻研究提供许多有用的信息, 包括这些复杂代谢物系统的组织运作方式、可塑性与演变, 还能为如何运用组合生物学合成新的生物产品提供策略信息。同时我们期望得到关于这些代谢、控制它们表达、增。

Leo 、MC 。这类, , 也能得到。随着对各类产MC 藻类体内合成基因的了解越来越清晰, 就可以更好地利用遗传学和分子生物学的技术手段对MC 进行检测, 降解甚至加以利用。其结果必定会大大提高水体的质量, 使人类的安全得到更多的保障。

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St Edmundsbury Press,

浮游蓝丝藻的基因分析实验中发现, mcy A 的第一个腺苷酸片段mcy AAd1, 负责促使MC 第7位点连接不同的氨基酸残留物:mcy BAd1负责促使MC 第2位点连接不同的3种氨基酸:白氨酸(L ) , 精氨酸(R ) 和酪氨酸(Y ) ; mcyC 的腺苷酸片段mcy 2CAd, 与4位点氨基酸的激活有关, 目前只报道过

精氨酸(R ) 一种。这或许就是MC -LR, MC -RR, MC -YR 出现最多的原因。另外B C [13的基因变异与MC -RR 3　总结

(1) mcy 基因进化而来。

通过对比浮游蓝丝藻和微囊藻中氨基酸的结构, 发现两者的mcy A 第二个NRPS 模板和mcy B 的第一个模板的相似度很小。而这两种藻属在这两个模板的周边区域的结构却是高度一致的。这一发现似乎告诉我们这两个模板的进化起源物与mcy 基因中其他的NRPS 模板和PKS 片段的不同。

另外, 通过对比节球藻毒素合成酶基因nda 和mcy 基因, M ichelle C 也推测节球藻毒素合成酶和

。节球藻毒素与MC 有相似

的结构, 但它是五肽:Adda -D -Glu -Mdhb -D

[15]

-A s p -A rg 。它的生物合成应该也需要与MC 相似的合成基因参与, 但很可能就没有上述的两个MC 合成酶是同源的

[14]

模板。因此节球藻毒素合成基因加上mcy A 中促使联合D -A I a 的羧基端, 再加上mcy B 中促使联合L -A rg, L -Leu 和其他L -氨基酸的氨基端之后形成的复合物, 很可能就能与MC 的mcy 基因发挥等

[16]

效功能了。

(2) 三种产MC 蓝藻的MC 合成过程的差异。目前, 最主要的三种能产生MC 的蓝藻的产毒编码基因已经完成测序。对比三种藻的mcy 基因,

—3—

环境科学导刊　第27卷　第3期　2008年6月

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Research on M i crocysti n s

-Yuan , Y ANG L iang

1

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(11Agriculture, Kunm ing Yunnan 650201China )

Abstract:M icr MC ) , which can cause seri ous polluti on, are now f ocused on their t oxicity act on other creatures, ecol ogical i m pacts, and the monit oring and analysis techniques . The study of the m icr ocys 2tin bi osynthesis is difficult due t o t oo many kinds ofMC p r oducers, and there are more than 60is of or m s of the MC . However, there have been s ome advances on this field because the bi osynthesis mechanis m of the three key MC p r oducers of M icr ocystis, Plankt othrix and anabarna is illu m inated recently . Key words:m icr ocystin; bi osynthesis; M icr ocystis; Plankt othrix; Anabaena

谌误:

本刊2008年第2期42页第二行“发改委”应为“经委”, 特此更正。并为因此给作者和读者带来的不便致谦。

《环境科学导刊》编辑部

2008年4月

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