微囊藻毒素合成机理的研究进展

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 基酸的不同 , 缩氨酸顺序及毒性不同 [ 2 ] , 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 酸 ) [ 11 ] 。在这三种之中毒性最强的是 LR , RR 毒性 相对最弱 [ 12 ] 。
一般 而 言 , mcyA , mcyB 和 mcyC 负 责 合 成 M dha, D - A Ia, L - X, D - m easp 和 L - Z。在对 浮游蓝丝藻的基因分析实验中发现 , mcyA 的第一 个腺苷酸片段 mcyAAd1, 负责促使 MC第 7位点连 接不同的氨基酸残留物 : mcyBAd1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 mcy2 CAd, 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 mcyB ( C ) 的基因变异与 MC - RR的产生有关 。 [ 13 ] 3 总结
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
( PKS) 生物化学和遗传学研究指出 MC的生物合成有
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
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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 结构 [ 2, 6, 7 ] 。 212 三种产 MC蓝藻的 MC合成 21211 铜绿微囊藻中 MC的合成
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 。
(1) mcy基因可能是由节球藻毒素的生物合成 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 mcyA 第二个 NRPS模板和 mcyB 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 。
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 种 anbaenopep tilide, 和三种鱼腥藻毒素 [ 10 ] 。
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 mcyABC其转录方向与第二个 mcyGDJEF I和第三个 mcyH 相反 (见图 1) 。mcyABC负责编码无核糖体 肽 合 酶 NRPS; mcyD 编 码 聚 酮 化 合 酶 PKS。 mcyDGE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 mcy2 GE是 NRPS - PKS双模板基因 [ 2 ] 。m cyJF 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 。mcyB 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 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 的传送 。其合成顺序基本与微囊藻一致 [ 10 ] 。 213 异构体的形成
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
Hale Waihona Puke Baidu
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 icrocystis) 、浮游蓝丝藻 ( Planktothrix) 、 鱼腥藻 (Anabaena) 和颤藻 (O scillatoria) 等淡水 藻类产生的环七肽肝毒素 [ 1 ] 。
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 ishizawa 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[ 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 却不产毒 [ 5 ] 。 21112 无核糖缩氨酸酶 (NRPS) 和聚酮化合酶
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 mcyDEFGH IJ编码完成 。mcyDEG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 能 [ 6 ] 。紧接着是由较小的操纵子完成 , 较小的操 纵子 mcyABC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 伸直至成为七肽链随后结环 [ 8 ] 。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
MC的 一 般 结 构 为 : 环 ( Adda - D - Glu -
收稿日期 : 2008 - 03 - 03
M dha - D - A la - L - X - D - M eA sp - L - Z - ) 。其 中 : L 为左旋 ; D 为右旋 。M eA sp 为 D - 赤 - β 甲基天冬氨酸 ; Adda为 ( 2 s, 3 s, 8 s, 9 s) - 3 氨基 - 9 - 甲氧基 - 2, 6, 8 - 三甲基 - 10 - 苯基 4, 6 - 二烯酸 ; Mdha为 N - 甲基脱氢丙氨酸 。X 和 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 [ 3 ] 。 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
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 一篇文章 [ 6 ] 。
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 mcyABC 与 mcyDEFGH IJ (见图 1 ) 。两组操纵子虽然方向相 反 , 但却一先一后进行编码 , 既先从 mcyG开始到 mcyI, 然后接着从 m cyA 到 mcyC。M cyDEFGH IJ 操 纵子中 mcyD 含有两个聚酮化合酶模板 , mcyE 的 氨基端含有一个聚酮化合酶模板 , 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 。
环境科学导刊 2008, 27 (3) : 1 - 4 CN53 - 1205 /X ISSN1673 - 9655
微囊藻毒素合成机理的研究进展
钟启升 1 , 李 元 1 , 杨 良 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)
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
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囊藻高 [ 9 ] , 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 CYA 126 中取得长达 5516kb 的 m cy 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 mcyABC, 有两个聚酮化合物合成酶模板 的 mcyD , 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 顺序基本与微囊藻一致 [ 7 ] 。
MC所扮演的生物学角色至今未有定论 。据推 测 MC可能起到对浮游动物的威慑作用 , 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 ittmann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 [ 2 ] 。