大型水母刺丝囊毒素的化学组成、结构及释放机制研究

Bloom of jellyfish is recently becoming more and more serious. Frequent occurrence of the jellyfish sting seriously affects the tourism, fishing, military affairs and marine sport events. Jellyfish venom is the key cause of sting. Presently, the research on the component of jellyfish venom mainly focuses on its bioactivity, purification and structural identification. In the process of implementing the youth foundation, we find that the Many scientific questions about jellyfish venom are still unclear till now, such as the sorts of protein in venom, the polysaccharide and inorganic elements in venom, the relationship between the venom and sting, and the discharge mechanism as well. As a continuous research on our previous youth foundation, in this project, two kinds of large jellyfish Stomolophus meleagris and Cyanea sp., which are very common in jellyfish bloom, were chosen as the research subject. We will study on the component of protein, polysaccharide, amine and inorganic elements in the nematocyst venom, including purification and structural identification of the main proteins and polysaccharides. In addition, influence factors on the nematocyst discharge and the concerning discharge mechanism will be also explored. In view of this research, we are expected to broaden the knowledge about marine toxins and enrich the data about jellyfish venom. A theoretical reference for response to jellyfish bloom, prevention treatment for sting and further research on the toxicology and the interaction mechanism will be also provided.

近年来水母暴发现象日趋严重，水母蜇伤事件频繁发生，严重影响海滨旅游、海洋捕捞、军事及海上运动项目等涉海活动。水母毒素是导致蜇伤的物质基础，目前对水母毒素化学组分的研究主要集中在毒素蛋白的活性、纯化及结构鉴定方面。在青年基金项目研究过程中发现：有关水母毒素的许多科学问题如毒素中有多少种蛋白？毒素中的其它组分如多糖和无机元素是什么？毒素与蜇伤的关系？毒素的释放机制？等尚不清楚。本项目在青年基金项目研究的基础上，以暴发性大型水母沙海蜇、霞水母为研究对象，研究刺丝囊毒素中的蛋白、多糖、胺类和无机元素，对毒素蛋白、多糖中主要成分进行纯化及结构分析，研究刺丝囊毒素释放的影响因素，探讨释放机制。通过本项目的研究将丰富对海洋生物毒素的了解和认识，填补水母毒素化学组分数据的不足，为应对水母大规模暴发和水母蜇伤事件的防治提供理论依据，同时为毒素的毒理学、作用机制研究奠定基础。

近年来，全球许多海域出现水母大规模暴发现象，我国所在的东亚海域是大型水母暴发的“重灾区”。水母暴发严重影响海洋生态系统、渔业生产、军事训练、滨海旅游等，水母蜇伤已成为最常见的海洋生物伤。水母毒素是蜇伤的物质基础，但水母刺丝囊毒素中有哪些成分，哪些因素影响刺丝囊的释放并不清楚，研究水母毒素的化学组成、生物活性及释放影响因素是有效防治水母蜇伤的基础。本项目研究了水母刺丝囊的结构、形态，在钵水母纲中发现了Microbasic b-Mastigophores 以及 Microbasic Birhopaloids两类刺丝囊，丰富了对钵水母纲刺丝囊的认识。建立了高纯度未释放水母刺丝囊的制备方法及明胶平板刺丝囊释放研究体系；当pH值低于3或高于11时，可引发触手刺丝囊明显释放；pH、温度及神经递质、氨基酸、金属离子均不能引发分离的刺丝囊的释放。刺丝囊的释放并非独立的过程，而是受到触手上其它细胞或神经递质的调控。利用蛋白质组学和转录组方法，首次从组学的角度分析了水母毒素中与蜇伤相关的毒素因子，分别从沙海蜇毒素和白色霞水母毒素中得到218个、174个与蜇伤相关的毒素因子，包括金属蛋白酶、磷脂酶、溶血毒素、钾离子通道抑制剂、丝氨酸蛋白酶抑制剂及其它毒素等。对毒素的主要成分--酶成分的生物活性进行了验证、鉴定和纯化，沙海蜇毒素与白色霞水母毒素均具有金属蛋白酶活性、磷脂酶A2活性、丝氨酸蛋白酶活性、纤维蛋白原水解活性和透明质酸酶活性。沙海蜇毒素金属蛋白酶、磷脂A2的催化活性受多种理化条件影响，如温度、pH、二价离子、酶抑制剂、离子强度等。发表SCI论文9篇，申请国家发明专利4项，其中2项获得授权；培养博士后1名，研究生3名；项目部分研究成果作为核心内容，获2017年度海洋科学技术一等奖。项目成果丰富了对海洋生物毒素的了解和认识，填补水母毒素化学组分数据的不足，为水母毒素的毒理学、作用机制研究奠定基础，同时也为水母蜇伤的防治及大型旺发水母的高值化利用提供理论依据。