砷糖磷脂的生物合成机制及其沿食物链代谢途径

This project, aiming for the understanding of arsenic biogeochemical cycle, focuses on the biotransformation of arsenosugar phosphlipids. The biosynthesis pathway and molecular mechanisms of arsenosugar phospholipids in Synechocystis sp. PCC 6803 will be studied, with special interest given to their accumulation and transformation process along a food chain. The main aims of this project include: (1) the cloning and functional studies of key genes involved in biotransformation of arsenosugar phospholipids. The biosynthesis pathway of arsenosugar phospholipids in Synechocystis sp. PCC 6803 will be illustrated; (2) A three-trophic-level food chain (cyanobacteria→fairy shrimp→fish) will be constructed to explore accumulation and transformation process of arsenosugar phospholipids along the food chain; (3) Arsenic spatial distribution and subcellular location in cyanobacteria, fairy shrimp and Oryzias melastigma will be analyzed. They will provide an important theoretical basis for assessing the ecological effect of organic arsenicals..This project is of significance for studying organic arsenicals’ role in arsenic biogeochemistry, fate, and to xicity. The researches on biotransformation mechanism of arsenosugar phospholipids and their accumulation and transformation process along a food chain, remain to be solved and novel.

本项目针对砷的生物地球化学循环，以砷糖磷脂的生物转化为切入点，围绕Synechocystis sp. PCC 6803合成砷糖磷脂的生物合成途径及分子机制，砷糖磷脂沿食物链的积累和转化过程展开研究。主要研究内容包括：（1）Synechocystis sp. PCC 6803内参与砷糖磷脂合成的关键基因克隆与功能表征，阐明砷糖磷脂的生物合成途径；（2）构建蓝藻→丰年虾→鱼三级食物链来探究砷糖磷脂沿该食物链的传递与代谢过程；（3）分析砷在蓝藻、丰年虾及海洋青鳉鱼中的空间分布及亚细胞定位，为评估有机砷的生态学效应提供重要理论依据。.本项目对认识环境中有机砷的生物地球化学行为、归宿和生物毒性具有指导意义。目前国际上对砷糖磷脂生物转化机制及砷糖磷脂沿食物链的传递和代谢的研究尚未开始，该研究具有明显的创新性。

砷是一种剧毒物质，在环境中广泛存在，海水和淡水中的砷本底浓度分别在0.1–2 μg/L的范围内，而在受地热源、采矿、冶炼和开采等其他人为活动影响的环境中砷的浓度要高得多。虽然自然环境中砷主要是以无机砷的形式存在，但因为生物对五价砷的吸收是通过其磷酸转运蛋白而海水中低磷含量使海洋生物比其陆生同类更易吸收和积累砷。目前也在海洋生物和部分淡水生物中检测到砷糖和砷糖磷脂在内的等300多种含砷有机物，这些复杂有机砷是蓝色食品的重要组成部分。然而长期以来国内外对砷的研究主要集中在无机砷的毒理、复杂有机砷的形态分析、甲基砷的形态及降解、植物对无机砷的吸收积累等，而对海产品中广泛存在的砷糖磷脂的合成及沿食物链代谢途径研究几乎是空白。在项目中我们基于模式生物蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803能将毒性较强的三价砷转化成砷糖和砷糖磷脂的研究。依次敲除了三个可能参与砷糖合成的基因和七个可能涉及砷糖磷脂合成的基因，用不同形态砷处理突变体分析细胞及培养基中砷形态变化，发现三价砷处理的slr0303和slr0304突变体不能合成砷糖和砷糖磷脂；进一步在大肠杆菌中异位表达这些基因，分析三价砷处理的大肠杆菌细胞及培养基中砷转化，结果表明共同表达slr0303和slr0304的大肠杆菌将无机的三价砷转化成DMA和多种含羟基羧酸的二甲基砷。另外，沿海洋食物链取同一海域的各营养级海洋生物，测定其中砷总量及形态发现沿海洋食物链砷糖磷脂的含量是降低的，存在着生产者海藻合成砷糖磷脂消费者降解它的趋势。为进一步验证消费者将吸收的砷糖磷脂降解了，我们用含高浓度砷糖磷脂的紫菜和海带处理小鼠，结果表明除了部分直接被排出体外和肠道壁细胞吸收的砷糖磷脂（砷糖磷脂具有强的脂溶性可透过肠道壁细胞的细胞膜，但不易进入水溶性的血液和尿液）外，肠道微生物可将砷糖磷脂降解成低分子量的含砷化合物（砷糖2、DMA、AsB、AsC等）。目前的研究也表明相对无机砷，砷糖磷脂对肠道微生物结构几乎没有什么影响。本项目对认识环境中有机砷的生物地球化学行为、归宿和生物毒性具有重要指导意义。