汞的微生物甲基化分子机制研究

Methylation of mercury by microorganisms is the main source of methylmercury in environment. It’s also one of the reasons that results in bioaccumulation and bioamplification of mercury along food chain, which causes more toxicity to human beings. Many species of sulfate reducing bacteria (SRB), methanogens and iron reducing bacteria (IRB) have the ability to methylate inorganic mercury. Several factors, such as bacteria colonies, resistance genes, mercury-methylation genes, methyl donors, methyl carriers, and methyl transfer enzymes, catalyzing enzymes, can affect the methylation of inorganic mercury and demethylation of methylmercury. These affections indicate that, besides acetylcoenzyme A, methylation of mercury can occur through different pathways. But the methylation mechanisms are unknown. Investigating the affecting factors from molecular level using proteomic strategies, screening the methyl donors, methyl carriers, methyl transfer enzymes and catalyzing enzymes, probing the pathway and mechanism of methylation and demethylation can contribute to block the methylation pathway, disrupt or inhibit mercury methylation and decrease the bioaccumulation and biotoxicity of mercury to organisms.

微生物介导的汞的甲基化反应是环境中甲基汞的主要来源，也是汞通过食物链发生生物富集和生物放大而对人类产生更大毒性的原因之一。研究表明，多种硫酸盐还原菌、产甲烷菌和铁还原菌具有汞甲基化的能力。菌落的种类、菌种的抗性基因、甲基化基因、甲基供体、甲基载体和甲基转移酶、催化酶等均能影响汞的微生物可利用性和甲基化、去甲基化效率，同时也表明甲基汞产生于多种代谢途径，除了目前研究较多的经由乙酰辅酶A代谢途径的甲基化过程外，其他的甲基化过程和机制尚不清楚。利用蛋白质组学技术，从分子水平研究汞的微生物甲基化和去甲基化的生物影响因素，筛选潜在的甲基供体、甲基载体和甲基转移酶、催化酶等生物分子，探讨微生物介导的汞甲基化和去甲基化的反应通路、反应途径和反应机理，可帮助阻断汞的甲基化路径，有助于降低或抑制汞的甲基化效率，对于降低汞的富集效应和生物毒性具有重要意义。

主要由厌氧微生物硫酸盐还原菌、铁还原菌、产甲烷菌产生的甲基汞是一种重要的神经毒性物质。研究表明，乙酰辅酶A 途径并不适用于所有的汞甲基化微生物，新的微生物汞甲基化机理和途径仍需继续探索。另外，在汞的微生物甲基化过程中许多蛋白质和酶类参与其中，承担着甲基供体、载体和调控、催化作用，目前仍旧缺乏对这些蛋白质和酶类的结构和功能的系统研究。除hgcA和hgcB外，对参与汞甲基化过程的相关基因和代谢途径了解也尚不完善。本项目利用硫酸盐还原菌、铁还原菌、产甲烷菌开展了汞甲基化分子机制的研究。项目经长期的培养基调整，首先实现了7种硫酸盐还原菌、1种铁还原菌、5种产甲烷菌的实验室纯培养，并对其中4种硫酸盐还原菌、1种铁还原菌、1种产甲烷菌的汞甲基化效率以及2种产甲烷菌的甲基汞去甲基化效率进行了研究。实验发现，硫酸盐还原菌Desulfomicrobium escambiense具有7.5±0.7%的汞甲基化效率，具备作为汞甲基化模式微生物的潜力；铁还原菌Geobacter Sulfurreducens PCA和产甲烷菌Methanospirillum hungatei均具有汞甲基化能力；具有hgcAB基因的Methanococcoides methylutens能降解30%的甲基汞，说明其具有机制未知的甲基汞去甲基化能力。项目利用蛋白质组学方法探究了汞甲基化过程中的差异表达蛋白、汞结合蛋白、代谢途径等。使用同位素标记相对和绝对定量（iTRAQ）方法、固定金属亲和色谱-柱状凝胶电泳色谱与电感耦合等离子体质谱联用（IMAC-GE-ICP-MS）方法和热稳定蛋白质组学（Thermo Shift）方法，结合生物信息学分析，发现汞甲基化过程与Desulfomicrobium escambiense和Geobacter Sulfurreducens PCA的中心能量代谢过程密切相关，因此乙酰辅酶A途径是它们的汞甲基化途径之一，还有其他新的汞甲基化途径有待验证。同时发现，OmcQ和OmcX蛋白可能是参与Geobacter Sulfurreducens PCA甲基汞外排的重要蛋白。研究发现了2种具有甲基汞去甲基化能力的产甲烷菌，其中一种具有汞甲基化关键基因但有甲基汞去甲基化能力，而另一种只含有汞抗性基因merA，不具备通常串联在同一操纵子上的抗性基因merB，它们的甲基汞去甲基化机理尚需进一步研究。