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生态毒理组学技术探索河口重金属污染对海洋生物的生物效应

发布时间:2018-02-04 浏览次数:51

国家自然科学基金重点项目(21237004)——成果系列报道

生态毒理组学技术探索河口重金属污染对海洋生物的生物效应

国家自然科学基金重点项目(21237004)“中国南方典型河口生物的重金属生物动力学与毒理”的资助下研究人员利用组学技术(蛋白质组学与代谢组学)阐明了重金属污染对河口贝类的生物效应。

近年来,组学技术被广泛应用于海洋生态毒理学的研究中。组学技术可以在分子水平表征由污染物诱导的差异生物分子,如蛋白质与代谢物。通过生物信息学分析这些差异生物分子,可以阐明污染物的生物效应及其分子机制,并筛选出与重金属污染物相关的生物标志物。在海洋生态毒理蛋白质组学研究中,海洋生物的蛋白质组提取方法主要包括直接裂解、三氯乙酸-丙酮溶剂体系与TRIzol溶剂体系三种提取方法缺乏对这三种提取方法进行系统、全面的评价。课题组针对海洋生物蛋白质组提取方法无明确的、统一的使用标准与局限的现状,利用双向电泳系统,优化了海洋动物的蛋白质组提取体系,首次证明TRIzol体系对常见指示生物贝类及鱼类具有较高的蛋白质提取效率与重现性,可作为一种良好的蛋白质组提取方法应用于海洋生态毒理学研究。该成果技术简报的形式发表在蛋白质组学专业期刊Proteomics (2013, 13, 3205–3210)上。

1 三种方法提取的紫贻贝鳃组织、褐牙鲆肝组织与沙蚕全组织蛋白质组双向电泳胶图

该方法发表后获得了法国著名生态毒理学家Thomas Knigge的高度评价(Proteomics, 2013, 13, 3106–3108),认为该方法一次性解决了两个问题:消除了样品中交互污染的成分,并实现了蛋白质与mRNA的同步分析。为海洋生态毒理蛋白质组学研究提供了普适的蛋白质组提取方法。

南方河口的香港巨牡蛎具有极强的重金属富集能力,例如对锌的富集能达到其干重的2%。在如此惊人的重金属富集后,香港巨牡蛎仍可生存,其适应与响应机制引起了研究者们的广泛关注。在此基础上,课题组采集福建多个近海水域(嵩屿、浮宫、金山、宫前、旧镇与白礁)的香港巨牡蛎与熊本牡蛎的生物样本,利用蛋白质组学技术,成功从香港巨牡蛎样本中鉴定出与金属污染相关的24个差异蛋白质,这些差异蛋白质表明重金属污染物可诱导氧化胁迫,干扰基础代谢、蛋白质合成、离子平衡、信号转导等过程,并损伤细胞骨架。另外,包括肌动蛋白与丝切蛋白等差异表达的蛋白可能与这两个采样点的铜污染有关。该成果发表于Marine Pollution Bulletin (2016, 112, 436–442)

2 采集于旧镇、白礁与浮宫香港巨牡蛎消化腺组织蛋白质组双向电泳胶图

随后,研究人员以香港巨牡蛎为研究对象,采集三个河口或港湾(旧镇、白礁与浮宫)的香港巨牡蛎样本,利用蛋白质组学技术,系统分析了重金属污染严重的采样点(白礁与浮宫)香港巨牡蛎差异蛋白质。研究结果表明,重金属污染在白礁与浮宫香港巨牡蛎样本中诱导了24个差异蛋白质,这些差异蛋白质表明重金属污染物可以干扰香港巨牡蛎氧化还原、蛋白质合成、离子平衡、信号转导过程等,并可损伤细胞骨架。结合以前的研究成果,研究还发现组织蛋白酶和铁蛋白可作为砷和铁污染的生物标志物。

在此基础上,利用代谢组学技术,分析了重金属污染严重的采样点(白礁与浮宫)香港巨牡蛎差异代谢物。结果表明,重金属污染在白礁与浮宫香港巨牡蛎样本中诱导了19个已知差异代谢物,这些差异代谢物证明重金属污染主要影响了香港巨牡蛎渗透调节与能量代谢等生理过程,但涉及的渗透调节与能量代谢通路存在显著差异。同时发现,糖原与丙氨酸可作为潜在的镉与铜污染的代谢物生物标志物。该研究为重金属污染的生态风险评价及环境污染治理提供有力的理论依据,同时也可为污染物的生物监测与海产品安全评价提供技术支持。以上成果发表于Marine Pollution Bulletin (2015, 90, 317–322; 2016, 102, 216–222)

3 香港巨牡蛎代谢物一维核磁共振谱图的OPLS-DA分析得分图与负载图

同时,课题组通过实验室模拟实验,整合利用蛋白质组学与代谢组学技术研究了在不同梯度盐度下菲律宾蛤仔对砷急性毒性响应差异。研究结果表明在不同盐度下,砷的毒理效应存在显著差异,并发现抗砷蛋白显著上调,可作为潜在的砷在菲律宾蛤仔中的生物监测的生物标志物。同时发现,砷暴露导致能量代谢途径相关酶如三磷酸腺苷合成酶、琥珀酰辅酶A合成酶与核苷二磷酸激酶B发生显著变化,并与能量代谢产物三磷酸腺苷与琥珀酸含量变化显著相关。该成果发表于Aquatic Toxicology (2013, 136–137, 91–100)

4 As暴露诱导的蛋白质与代谢物响应三羧酸循环通路图

最后,在前期研究基础上,课题组针对海洋典型重金属污染物镉,以重要的海洋环境指示生物紫贻贝作为研究对象,利用蛋白质组学技术,研究了重金属镉对紫贻贝早期发育阶段(D型幼虫与稚贝)的毒理效应。研究结果表明,重金属污染环境(50 µg/L对紫贻贝早期发育阶段(D型幼虫与稚贝)毒性显著,主要诱导氧化胁迫、免疫胁迫、能量代谢异常等效应,并且在D型幼虫体内将启动金属硫蛋白表达的解毒机制,在早期D型幼虫和幼体发育过程中均造成了免疫和氧化压力,细胞中磷酸丙糖异构酶和金属硫蛋白上调表明了D型幼虫在遭受污染危害时会增强能量需求和解毒代谢过程;而幼体贻贝在暴露下诱发明显的细胞凋亡现象,因此在紫贻贝早期发育过程中造成潜在免疫毒害。同时,确定了毒理效应相关的蛋白质生物标志物。总体来说,镉是紫贻贝早期发育阶段的一个免疫毒物。该成果发表于Fish & Shellfish Immunology (2016, 55, 510–515)

5 紫贻贝D型幼虫与稚贝阶段

6 紫贻贝D型幼虫与稚贝阶段经镉暴露后全组织蛋白质组双向电泳胶图


引用文献

1) Huifeng Wu*, Chenglong Ji, Lei Wei, Jianmin Zhao. Evaluation of protein extraction protocols for 2DE in marine ecotoxicoproteomics. Proteomics, 2013, 13, 3205–3210.

2) Huifeng Wu*, Xiaoli Liu, Xingyan Zhang, Chenglong Ji, Jianmin Zhao, Junbao Yu. Proteomic and metabolomic responses of clam Ruditapes philippinarum to arsenic exposure under different salinities. Aquat. Toxicol., 2013, 136–137, 91–100.

3) Chenglong Ji, Qing Wang, Huifeng Wu*, Qiaoguo Tan, Wen-Xiong Wang. A metabolomic investigation of the effects of metal pollution in oysters Crassostrea hongkongensis. Mar. Pollut. Bullet., 2015, 90, 317–322.

4) Chenglong Ji, Qing Wang, Huifeng Wu*, Qiaoguo Tan, Wen-Xiong Wang. A metabolomic study on the biological effects of metal pollutions in oysters Crassostrea sikamea. Mar. Pollut. Bullet., 2016, 102, 216–222.

5) Chenglong Ji, Deliang Yu, Qing Wang, Fei Li, Jianmin Zhao, Huifeng Wu*. Impact of metal pollution on shrimp Crangon affinis by NMR-based metabolomics. Mar. Pollut. Bullet., 2016, 106, 372–376.

6) Lanlan Xu, Xiao Peng, Deliang Yu, Chenglong Ji*, Jianmin Zhao, Huifeng Wu. Proteomic responses reveal the differential effects induced by cadmium in mussels Mytilus galloprovincialis at early life stages. Fish & Shellfish Immunol. 2016, 55, 510–515.

7) Lanlan Xu, Chenglong Ji, Huifeng Wu*, Qiaoguo Tan, Wen-Xiong Wang. A comparative proteomic study on the effects of metal pollution in oysters Crassostrea hongkongensis. Mar. Pollut. Bullet., 2016, 112, 436–442.

(课题研究完成人中国科学院烟台海岸带研究所吴慧丰研究员提供

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