应用蛋白质组学方法研究牡蛎富锌机制及锌对牡蛎生殖腺发育的影响

Zinc is a vital element, which plays indispensable roles in multifarious cellular process. It serves crucial functions to maintain the developments and physiological functions of the genital system, immunological system and nervous system of organisms. However, it is still puzzled in the metabolism of zinc in organisms and the mechanism of how zinc carry out it's bio-functions. Here, based on the fact that oyster is one of the animals both with the highest bioconcentration factor of zinc and the highest fecundity, we suppose that research on the bioaccumulation of zinc in oyster will promote the understanding of the physiological mechanism of zinc transporter and it's metabolism in organisms. Moreover, the investigation of the effects of zinc to the gonad development in oyster will promote to reveal the mechanism of zinc in maintaining the development and physiological function of the genital system. Therefore, the proteomes of the different organs of the oysters cultured in different zinc concentration are analyzed to detect the zinc transporter proteins and zinc storage proteins, as well as their mechanism of regulation of zinc metabolism. Furthermore, the changes of zinc concentration, proteome and metabolome during the development of gonad in oyster are determinated to reveal how zinc is related to and affects the development of oyster's gonad.

锌具有非常重要的生物学功能，特别是在保障生殖系统、免疫系统和神经系统的健康发育和正常生理机能方面。目前对锌的转运、代谢过程和执行生物学功能的机制还知之甚少。牡蛎是目前已知的含锌量最高的生物，同时也是生殖能力最强的生物之一，研究牡蛎的富锌机制有助于揭示生物转运和代谢锌的生理机制，同时以锌对牡蛎生殖腺发育的影响为切入点进行研究，有助于揭示锌保障生物生殖系统的健康发育与正常生理机能等生物学功能的机制。本研究拟通过不同锌浓度条件下牡蛎各组织器官的蛋白质组分析，探讨牡蛎富锌的关键蛋白质族群及其相互协调机制；通过分析牡蛎生殖腺在不同发育阶段的锌浓度变化、蛋白质表达变化和代谢组变化，探讨锌与牡蛎生殖腺发育的相关性及其影响机制。

锌是仅次于铁的微量必须矿物质元素，具有重要的生物学功能，但过量摄入又会导致显著的生理毒性。牡蛎是目前已知的富锌能力最高的生物，但对其富锌机制及生物学意义尚未清楚。本项目以福建牡蛎（Crassostrea angulate）为实验对象，通过成体牡蛎、幼体牡蛎、牡蛎原代细胞等不同水平，研究了牡蛎的富锌分子机制及其可能的生物学意义，结果发现（1）牡蛎在长期锌、铜等金属元素严重污染的自然水域中，具有极强的生存能力和金属富集能力（其中锌富集高达牡蛎软体部位干重3.0%），将富集的金属离子转化为矿物质晶体微粒存储于多颗粒细胞中，同时正常细胞内大量表达金属硫因蛋白MT等金属结合蛋白，维持细胞内游离金属离子浓度，表明通过多种途径降低细胞内游离锌离子浓度可能是牡蛎应对锌等重金属胁迫的重要生物学机制；（2）长期的锌暴露对牡蛎性腺发育产生显著影响，同时，牡蛎性腺锌含量也随不同发育阶段而异。低浓度锌离子暴露促进牡蛎性腺的发育，而高浓度锌离子暴露显著损害性腺发育，同时存在显著的性别差异，雌性牡蛎性腺表现出更显著的锌离子富集和耐受能力。其中ZnT、Zip家族蛋白是牡蛎性腺细胞转运锌离子的主要蛋白质族群，除MT蛋白外，Cavortin和Histidinol dehydrogenase (HDH)蛋白也可能参与结合细胞内游离锌离子，控制胞内游离锌离子水平。此外，在雌性性腺中，Hemicentin_1, Histidinol dehydrogenase, Allantoicase, Acriflavin resistance protein, Histone deacetylase 6, Vitellogenin等蛋白锌胁迫与耐受中起着重要作用；(3) 牡蛎亲贝锌暴露会显著提高其子代的锌耐受能力，提高锌暴露条件下的受精卵孵化率、幼体存活率、以及幼体生长速率。同时锌暴露对牡蛎组蛋白的15个氨基酸位点修饰状态产生显著影响，其中5个氨基酸位点的修饰状态的改变由亲贝遗传到相应子代幼体，表明牡蛎亲贝锌暴露的响应机制具有表观遗传性，这对牡蛎养殖以及选育工作均具有指导意义；（4）牡蛎原代细胞的锌暴露实验发现，包括磷脂转运、基因转录、蛋白合成、离子转移等重要生物学过程在内的大量蛋白质表达量产生显著变化，其中，阳离子转运子、铁ABC转运底物结合蛋白等有可能是Zn2+暴露特异性标志蛋白，值得继续深入研究。