Sci:有害藻类产生强效神经毒素软骨藻酸的基因簇 有毒藻类

邓文龙

Science：重大进展！鉴定出有害藻花产生强效神经毒素软骨藻酸的基因簇

2018-09-29 19:04

2018年9月29日/生物谷BIOON/---在一项新的持续了5年的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校、克雷格文特尔研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）、莫斯兰丁海洋实验室、南加州大学、加拿大达尔豪斯大学和捷克南波西米亚大学的研究人员发现了产生软骨藻酸（domoic acid）的遗传基础，其中软骨藻酸是一种由有害藻类大量繁殖产生的强效神经毒素。相关研究结果发表在2018年9月28日的Science期刊上，论文标题为“Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom”。

有害的藻类大量繁殖（algal bloom, 也称有害藻类水华，有害藻华）会对世界各地的沿海地区造成重大的经济和环境破坏。这些藻华偶尔产生的毒素能够让海洋哺乳动物患病，并且当这些毒素在海鲜中聚集时会危机人体健康。接触高剂量的软骨藻酸---由一种属于拟菱形藻（Pseudo-nitzschia）的硅藻类浮游植物产生---可导致记忆丧失性贝类中毒，这是一种以癫痫发作和短期记忆丧失为特征的潜在致命性疾病。

在这项新的研究中，这些研究人员鉴定出海洋浮游植物拟菱形藻中的与软骨藻酸产生相关的一个基因簇。

这种类型的微藻是值得注意的，这是因为在2015年夏天，它引起了从阿拉斯加州到加州圣巴巴拉市的北美西海岸有史以来记录的最大的有害藻华，并导致渔业和捕蟹季节的关闭，以保护消费者免受潜在的贝类中毒。

软骨藻酸（domoic acid）化学结构式。

尽管人们已对拟菱形藻开展了数十年的研究，但是这些海洋浮游植物毒性的分子基础仍是不清楚的。这些研究人员发现，这些新鉴定出的基因含有制造软骨藻酸毒素的生物学指令，而且当拟菱形藻产生这种毒素时，这些基因处于“开启”状态。

论文共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的Patrick Brunson说，“通过鉴定出编码软骨藻酸产生的基因，我们如今能够提出关于开启或关闭这些基因的各种海洋条件的问题。这些知识将让我们能够在遗传水平上追踪这种藻华毒素的产生。”

通过展示如何在体外培养时开启这些产生软骨藻酸的基因，这些研究人员提出了一种将促进藻花进化的海洋条件与毒素产生相关联在一起的方法。

美国国家科学基金会海洋科学部项目主任Hedy Edmonds说，“了解藻花如何产生毒素以及哪些条件导致这种毒素产生是至关重要的。这项研究提供了一种潜在的工具用于监测藻花和在这种情形发生之前预测毒素的产生。”

有害的藻花是难以预测的，并且引起藻花的生物通常具有非常复杂的大型基因组。这些研究人员表示，这项研究的最大意义在于能够在遗传水平上研究藻花。对参与软骨藻酸产生的基因的了解将允许对藻花进行遗传监测，并有助于鉴定触发毒素产生的条件。

论文共同通信作者、加州大学圣地亚哥分校史卡格斯药学与药物科学学院的Bradley Moore说，“由于藻类的基因组是非常复杂的，海洋微藻毒素的生物合成途径在相当长的一段时间内仍然是难以捉摸的。如今，我们已有了拟菱形藻的基因组和一种产生软骨藻酸的遗传途径，我们也开始明白为何这些微藻会产生毒素，以及这种能力是如何被激活的。这些新知识最终可能会更好地让我们如何预测未来的毒素产生事件并为此做好准备。”

这项新的研究建立在南加州大学的David Hutchins于2011年完成的一项研究，在那项研究中，Hutchins等人已发现当海洋中存在有限磷酸盐和二氧化碳含量增加时，硅藻类海洋浮游植物能够大量地产生软骨藻酸而变得有害。这一发现具有重要意义，部分原因是科学家们已观察到，由于人类社会使用化石燃料，海洋吸收了更多的超过自然水平的二氧化碳数量。这种更多的二氧化碳吸收和海洋温度上升意味着软骨藻酸事件变得更加普遍，毒性更大，持续时间比前几十年更长。这些研究人员利用Hutchins领衔的那项研究的结果来鉴定出这些负责产生这种毒素的基因。

论文共同通信作者、在JCVI和克里普斯海洋学研究所同时任职的生物学家和硅藻基因组学专家Andrew S Allen说，“我们发现非常有趣的是，在体外培养时，磷酸盐限制和增加的二氧化碳能够对软骨藻酸产生具有如此强烈而微妙的影响。我们能够直接地将基因表达与这种毒素产生相关联在一起，而且这一观察结果导致我们直接发现了这些编码软骨藻酸产生的基因。”

在Allen实验室开展研究工作的JCVI研究人员从这种微藻中提取出RNA转录本并进行测序，这种方法能够测量有活性的基因。随后对由RNA转录物编码的遗传序列的分析鉴定出据推测产生这种毒素的基因。在Moore实验室中开展的体外生物化学实验随后确定了一系列产生这种毒素核心结构的酶。

论文共同第一作者、克里普斯海洋学研究所海洋生物技术与生物医学中心博士后研究员Shaun McKinnie说，“合成软骨藻酸的一些生物合成酶在遗传水平和生化水平上是独一无二的。鉴于我们能够将这些诊断性的化学转换与它们的酶和基因相关联在一起，我们希望科学家们能够开始预测有害藻华中的软骨藻酸毒性潜力，从而作为当前的监测方法的补充。”

对有害藻华的监测和预测进行研究的科学家们表示，这一发现为增加对这种现象的理解提供了希望，并有助于更好地预测软骨藻酸事件的轨迹，以应对未来的气候变化。

美国南加州海岸海洋观测系统（Southern California Coastal Ocean Observing System, SCCOOS）主任、生物海洋学家和有害藻华研究员Clarissa Anderson（未参与这项研究）说，“这一突破标志着我们对这些事件的理解迎来一个明显的转折点，这是因为围绕着拟菱形藻的有毒藻华存在着的大量不确定性是我们对软骨藻酸合成本身的未充分掌握的结果。在美国西海岸和其他地方预报有害藻华的最高目标是预测拟菱形藻何时何地和最终为何启动或关闭软骨藻酸产生。我们可能永远无法阻止这种有害的藻华，但是我们能够更好地监测软骨藻酸产生的早期阶段。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

John K. Brunson1,2,*, Shaun M. K. McKinnie1,*, Jonathan R. Chekan et al. Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom. Science, 28 Sep 2018, 361(6409):1356-1358, doi:10.1126/science.aau0382.
http://science.sciencemag.org/content/361/6409/1356

Georg Pohnert, Remington X. Poulin, Tim U. H. Baumeister. The making of a plankton toxin. Science, 28 Sep 2018, 361(6409):1308-1309, doi:10.1126/science.aau9067.
http://science.sciencemag.org/content/361/6409/1308



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