神经毒素BMAA的生物合成...其致病机理的研究进展与展望_李爱峰.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，综述神经毒素的生物合成、食物链传递及其致病机理的研究进展与展望*李爱峰，闫业举，邱江兵，李敏，付艺蕾（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 ；中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 ）摘要：本文参考有关的来源、作用机制及可能的生物合成过程等方面的研究论文，系统介绍了最早在苏铁组织中发现的毒素在淡水或海洋环境中蓝细菌、硅藻和甲藻样品中的检出情况及其沿食物链的生物放大作用，梳理了的毒性机制及可能的生物合成途径，并客观分析了诱发人神经退行性疾病的假说。最后，对未来的研究方向进行了展望。关键词：；来源；生物合成；生物放大；致病机理中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：李爱峰，闫业举，邱江兵，等 神经毒素的生物合成、食物链传递及其致病机理的研究进展与展望中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：国家自然科学基金山东联合基金重点支持项目（）；国家自然科学基金项目（）资助 （）；（）收稿日期：；修订日期：作者简介：李爱峰（），男，教授，博导。：的化学结构和理化性质甲 氨 基丙 氨 酸（，）是一种具有神经毒性的非蛋白质氨基酸（见图）。的电离常数为 ，等电点 ，化学性质稳定，易溶于水，属于双性离子，在生理条件下（）呈中性。目前自然界中存在种已知的 同分异构体，分别是，二氨基丁酸（，）、氨 乙 基 甘 氨 酸（），、氨 基甲 基 丙 氨 酸（，）、，二氨基丁酸（，）、，二氨基丁酸（，）、氨基（氨甲基）丙酸 （），和，二氨 基甲 基 丙 酸（，）。其中，和 是最为常见的两种同分异构体，均具有神经毒性。在生物体内，既能以游离态的形式存在，又能与多肽和蛋白质类物质结合，以蛋白结合态的形式存在。但生物体内两种形态 的比例不是固定不变的，在一定条件下可以互相转化。的来源、生物合成及其影响因素来源人们最早在苏铁的种子中发现了，随后发现苏铁珊瑚状根部的念珠藻（）可能是苏铁种子中的初始来源。后来研究发现，水生环境中生长的念珠藻属的蓝细菌普遍检出，包括淡水、咸淡水、河口、海洋及陆地生态环境。另外，研究人员还在微囊藻属（）、颤藻属（）、浮丝藻属（）和束丝藻属（）等不同蓝细菌样品中检出。目前已报道的 蓝 细 菌 样品 的检 出情况如表所示，说明环境中广泛分布的蓝细菌普遍含有。据报道，几乎所有被测试的实验室菌株、野外分离株、野 外 样 品 和 共 生 物 种都 检 出 高 浓 度 的。然而，由于使用非特异性的氨基酸分析方法使得这一结论受到质疑。除一项外，几乎所有的研究都不能重现这些最初的结果；在蓝细菌中没有检出期李爱峰，等：神经毒素的生物合成、食物链传递及其致病机理的研究进展与展望；只有一部分样品检出 ；在所有样品中检出，但浓度非常低。另外，蓝细菌的 产毒情况还受到外界环境的影响，等人运用同位素标记法，证明了微囊藻 能够在氮饥饿的情况下合成游离态的 。蓝细菌不稳定的产毒情况使得人们对蓝细菌作为 生物来源的结论更加怀疑，目前仍存在争议。图及其同分异构体的化学结构 表世界各地蓝细菌样品中的检出情况 采样地点 蓝细菌种类 检出情况 参考文献 未知未知异养蓝细菌：（）自养蓝细菌：（）的属（）的藻株 葡萄牙西北部色球 藻 目（）、颤 藻 目（）、念珠藻目（）（）波兰北部海域聚球藻目（）、颤藻目（）、念珠藻目（）（）南非微囊藻属（）、聚球藻属（）、鞘丝藻属（）、颤藻 属（）、浮丝 藻 属（）、伪 鱼 腥 藻 属（）（）澳大利亚东部鱼腥藻属（）、鞘丝藻属（）、微囊藻属（）、束丝藻属（）、（）荷兰鱼腥藻属（）、水华束 丝藻（）、胶刺藻（）、铜绿微囊藻（）、水华微囊藻（）、阿 氏 浮 丝 藻（）、赖格乌龙藻属（）（）卡塔尔沙漠未知 （）自 年首次报道蓝细菌产生 以来，很多研究聚焦蓝细菌的 生物合成机制，将其视为环境的主要来源。年，等人首次在分离自瑞典西海岸的种硅藻中检出，说明海洋硅藻可能是 的生物来源。随后研究人员将注意力转向硅藻合成 的调查研究，在野外和实验室培养的海洋硅藻中检出，包括 、。中国海洋大学学报 年从澳大利亚淡水水域分离的株淡水硅藻也有株检出，说明淡水硅藻也可能产生。由于硅藻是海洋生态系统中重要的浮游植物类群，这一发现说明海洋食物链可能是人类暴露接触 的重要途径。甲藻在演化历程中晚于蓝细菌但早于硅藻，甲藻是否产生 引起了人们的关注。等人在葡萄牙常常发生甲藻藻华的水域采集的贝类样品中检出，发 现 贝 类 含 量 与 链 状 裸 甲 藻（）的密度有关，据此推测甲藻也可能产生。此外，在实验室培养的链状裸甲藻细 胞 中 也 检 出 了（）。随后报道了海洋甲藻三角异冒藻（）能够产生 。然而，自从 等人报道海洋甲藻产生 以来，暂未见有关其他种类的甲藻含有 的报道，有待进一步确认。的生物合成机制的初步研究当前人们对生物合成 的机制尚不清楚，仅对苏铁合成 的途径提出了假设。的化学结构属于丙氨酸在位发生取代反应的产物，其生物合成的底物可能是磷酸丝氨酸、半胱氨酸、邻乙酰丝氨酸或氰基丙氨酸。参考 等人的报道，一个可能的 生物合成途径如图所示，合成游离 的步骤只需要两步反应，第一步是通过半胱氨酸合酶蛋白催化的亲核反应，将 转移到丙氨酸的位碳原子；第二步反应是在合成物上添加 以产生。在苏铁的 （表达序列标签）文库中确定了这两个酶促反应的候选基因，其中有两个 能够编码半胱氨酸合酶，而第二步需要的甲基转移酶也能在苏铁 文库中找到。除此之外，腺苷甲硫氨酸（）是最有可能成为甲基供体的氨基酸。总之，苏铁含有参与 生物合成相关酶的候选基因。由于许多肽中含有甲基，另一种猜想是通过游离的，二氨基丙酸（，）在大分子结构内直接发生甲基化而合成，随后通过小分子或大分子的代谢周转以游离态形式释放，而一部分 仍作为大分子的一部分保持结合，即现在所定义的沉淀结合态 ，这个过程常用的甲基来源可能是 腺苷甲硫氨酸。图通过两步反应合成苏铁的机制假说 有关蛋白结合态 的生物合成，也有研究猜测甲胺取代蛋白质中磷酸丝氨酸残基的 磷酸基团及磷酸苏氨酸残基中的 甲基基团，从而形成与蛋白结合的。由丝氨酸或半胱氨酸残基衍生且包含在蛋白质或肽中的脱氢丙氨酸残基在加入甲胺后，在高 条件下能够产生。但是这种合成反应不太可能在体内自发进行，因为高 值条件的甲胺来源难以实现。许多原核生物通过非核糖体肽合成机制（）生物合成多种活性肽，如环肽节球藻毒素和微 囊 藻 毒 素 ，蓝 细 菌 也 可 能 通 过 这 种 方 式 将结合到肽中。在筛选芽孢杆菌属新抗生素的过程中，从新几内亚土壤样品中分离到的粉状芽孢杆菌（）的菌株，能产生三种或三种以上的抗生素，经吸附、洗脱、分离后得到三个活性成分、。其中，组分和 因其氨基酸组成而分别被命名为 和 。是目前已知的唯一含有 结构的肽类化合物（见图），经酸水解后可以释放，和 。因此，也可能是游离形式的，通过 掺入到肽类化合物中，然后经转甲基酶对其甲基化，从而形成蛋白结合态的。（方括号内的氨基酸残基（）和（）分别来自，二氨基丙酸和甲基，二氨基丙酸（）。（）（），（），）图 的化学结构 期李爱峰，等：神经毒素的生物合成、食物链传递及其致病机理的研究进展与展望影响合成的主要因素据报道，微藻或蓝细菌合成毒素的过程是其应对极端环境压力的反应产物 。例如，环境温度、光照强度和氮营养盐均会 影响 微 囊藻 毒 素 的 产 生 。作为一种藻毒素，其产生机制可能与生态位及环境有关。目前有关环境因子胁迫影响蓝细菌及硅藻产生 的研究较少。等人利用稳定同位素 研究了蓝细菌中 的生物合成，发现氮饥饿处理会导致细胞内游离态 含量增加，而沉淀结合态 没有变化，饥饿后向培养基中添加 和 会导致游离态减少，而蛋白结合态 没有相应增加。另据报道，蓝细菌合成游离态 的含量与培养基中氮营养盐浓度呈极显著负相关，与磷营养盐浓度呈弱的正相关，且外源 能抑制某些不产生 的蓝细菌的生长，由此推断的合成可能是蓝细菌对低氮胁迫的应激反应。硅藻作为的主要来源之一，其合成的水平也受到环境压力的影响，特别是氮饥饿和细胞密度相关的压力。从以上结果猜想，在缺氮条件下微藻合成更多的 可能是为了存储更多的氮，作为自身利用氮的储备。这些研究为探究 的生态学意义提供了理论依据。的食物链传递人与 的暴露接触主要是通过食物链传递，在食用水产品过程中积累毒素。已有大量调查研究发现，世界各地咸水、海水或淡水中的滤食性贝类、甲壳类动物和部分鱼类生物体内含有 。在水生生态系统中，初级生产者蓝细菌、硅藻等合成的可沿着食物网向高营养级生物传递，并在生物体内富集，表现出显著的生物放大作用。例如，在关岛生态系统中游离态沿着蓝细菌（）苏铁种子（）飞蝠（）构成的食物链传递，生物放大系数达 倍以上，且在人的脑组织（）中也检出了。同时，蛋白结合态在不同营养级之间也表现出传递和富集的现象，即蓝细菌（）苏 铁 种 子（）飞 蝠（）人 脑 组 织（）。这表明 在关岛生态系统中存在显著的生物放大作用，且符合食物链中化合物浓度不断增加的经典“金字塔”模型。在其他的水生生态系统中也发现了 的生物放大作用。通过长期监测波罗的海蓝细菌和其他海洋生物中含量发现：直接或间接以蓝细菌为食的高营养级生物体内含有高浓度的。年月至 年 月在法国地中海地区收集的浮游生物、附生生物和贻贝体内都检出了（、干重），并确定硅藻可能是这些生物体内的主要来源。在中国胶州湾生态系统中在浮游动物、双壳类软体动物、甲壳类节肢动物和腹足类软体动物体内的营养放大系数（）分别是 、和 （见图）。图中国胶州湾海域的传递途径及各级的营养放大系数 （），同样，在淡水水生生态系统中也存在 的生物放大作用。在 湖中根据鱼类种类、总重量、性别和收集季节确定 在底栖鱼类和食肉鱼类中的生物积累模式，发现随着鱼类年龄的增加导致鱼类组织内 含量的增加。在我国太湖的贡湖湾，研究人员采集和分析了不同营养级的蓝细菌、软体动物、甲壳类动物和各种鱼类中的 的含量，其平均含量分别为 、和 ，表明可以向高营养级生物传递。在武汉东湖蓝细菌水华暴发期间，微囊藻细胞和鱼体内 含量分别为 和 ，表明 可在鱼类体内积累并具有一定的生物放大作用。但我国淡水和海洋生态系统中 沿食物链传递行为相比而言，海洋环境中的生物放大作用更为突出。的检测方法目前国际上通常采用高效液相色谱荧光检测法（，）、高效液相色谱串联质谱联用法（中国海洋大学学报 年 ，）、气相色谱质 谱 联 用 法（，）和毛细管电泳法（，）等方法分析样品中 的含量，主要以 和 两种方法为主。不同的化学分析方法定量环境样品中 的浓度有较大争议，报道了采用 测定的 平均浓度比另一项研究中 测定的平均浓度高近百倍 。高效液相色谱荧光检测法基于光学检测或质谱分析的方法已广泛应用于环境样品中 的分析。分析环境样品中时，需要先对 进行衍生化处理，生成具有荧光发光基团的衍生物。目前国际上普遍采用氨基喹啉基羟基琥珀酰亚氨基甲酸酯（，）作为 的衍生试剂，能够与游离态 分子上的氨 基 和 甲 氨 基 快 速 反 应 生 成 稳 定 的 喹 啉 化 合物。关岛地区的苏铁、蓝细菌和果蝠等生物样品中的大都是采用该类方法测得的，并且研究人员利用这种方法在蓝藻样品中普遍检出，。该衍生方法普遍适用于与氨基酸结构类似的大多数化合物，分子可以与氨基酸及其他氨基酸衍生物生成具有荧光发光基团的衍生物，干扰对 衍生物的甄别与定量分析，通常导致过高估算样品中 的浓度，甚至是假阳性结果。同时，方法仅依据保留时间和荧光信号进行识别，对目标化合物的选择性较差。高效液相色谱串联质谱联用法高效液相色谱串联质谱联用法使用串联质谱作为检测器，以保留时间、母离子的质荷比、碰撞诱导解离后产物离子的质荷比以及产物离子丰度的比值作为定性和定量的依据，能够有效提高检测的准确度和灵敏度。该方法被广泛应用于各类生物样品 毒素的分析，主要包括衍生分析法和直接分析法。在衍生法中，常使用 为衍生试剂，衍生后的产物经反相色谱柱分离后进入质谱，以变迁离子模式 和 分别作为 定性和定量分析的依据。直接分析法使用亲水交互作用色