微囊藻毒素及其衍生物抑制蛋白磷酸酶PP1生物活性差異機(jī)制研究.pdf

1、微囊藻毒素（Microcystins，MCs）作為一類生物毒性明顯、難降解的有機(jī)污染物已引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。MCs進(jìn)入生物體后會(huì)靶向攻擊肝細(xì)胞，并特異性抑制蛋白磷酸酶（Protein Phosphatase，PPs）的生物活性，打破多種功能蛋白磷酸化-去磷酸化平衡，進(jìn)而造成細(xì)胞生理功能紊亂、損傷甚至凋亡壞死。鑒于MCs存在顯著的生物毒性，控制MCs濃度水平、闡明其毒性作用機(jī)制、探討解毒機(jī)理已成為環(huán)境科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。目前關(guān)于MC

2、s毒性作用調(diào)控的各種策略已經(jīng)被廣泛實(shí)施，但由于具體的分子調(diào)控機(jī)制尚未闡明，制約了相應(yīng)調(diào)控策略的應(yīng)用。例如：MCs存在80余種同系物，不同類別毒素對(duì) PPs的抑制作用存在一定差異，有關(guān)其致毒的種間差異機(jī)制研究尚未開展；目前飲用水消毒是調(diào)控MCs的關(guān)鍵技術(shù)，該過程產(chǎn)生的部分特征消毒副產(chǎn)物可能保留原毒素的結(jié)構(gòu)及毒性，消毒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化解毒的分子機(jī)制尚不明確；生物解毒研究證實(shí)生物體內(nèi)MCs能夠在谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶的催化作用下與谷胱甘肽共價(jià)結(jié)合生成低

3、毒性復(fù)合物，但其具體的解毒機(jī)制尚未闡明。本研究通過分析MCs污染特性、結(jié)構(gòu)理化特征、毒性作用機(jī)制、調(diào)控策略的技術(shù)問題，以MCLR為基礎(chǔ)研究物，通過傳統(tǒng)氯消毒工藝和碳碳雙鍵-巰醇的親電加成反應(yīng)分別制取MCLR-DBPs和MC-GSHs；借助分子毒性試驗(yàn)和分子對(duì)接技術(shù)對(duì)MCs、MCLR/MCLR-DBPs、MCs/MC-GSHs與PP1結(jié)合物的毒性作用和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行解析；將理論模擬數(shù)據(jù)與毒性試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照，探究MCs、MCLR-DBPs、M

4、C-GSHs抑制PP1生物活性毒性作用差異機(jī)制，建立了對(duì)MCs及其衍生物毒性效應(yīng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的新方法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴微囊藻毒素同系物抑制蛋白磷酸酶PP1生物活性種間差異機(jī)制研究借助分子毒性試驗(yàn)獲得MCs對(duì)PP1生物活性的抑制作用順序?yàn)椋篗CLR（2.6μg/L）＞MCLF（4.4μg/L）＞MCLA（5.53μg/L）＞ MCLY（7.9μg/L）＞MCLW（13.6μg/L）。通過MOE分子模擬對(duì)MCLR-PP1進(jìn)

5、行結(jié)構(gòu)改造得到其它毒素與PP1的結(jié)合產(chǎn)物并進(jìn)行分子對(duì)接，可以從毒物配體與PP1受體結(jié)合前后整體能量變化、結(jié)合面積、氫鍵、共價(jià)鍵、Mn2+參與的離子鍵作用層次對(duì)MCs抑制PP1生物活性的差異機(jī)制進(jìn)行闡釋。結(jié)果表明：可變氨基酸位點(diǎn) Z4的親疏水性與空間位阻效應(yīng)能夠干擾MCs對(duì)PP1的毒性抑制作用（影響配體Adda5殘基與PP1的結(jié)合），使得Adda5與PP1的結(jié)合面積和毒素毒性變化存在正相關(guān)；氫鍵、離子鍵等相互作用及親疏水性的差異與 MCs

6、-PP1結(jié)合物的能量變化具有一定的相關(guān)性（且親水性作用對(duì)結(jié)合能量的變化影響大于疏水作用），MCs與PP1對(duì)接后整體能量下降程度與毒物毒性變化正相關(guān)；極性作用和疏水作用對(duì)MCs與PP1結(jié)合產(chǎn)物的氫鍵形成存在一定競(jìng)爭(zhēng)且空間位阻對(duì)氫鍵作用存在一定影響；相對(duì)于 MCLR與PP1的氫鍵作用而言，Z4→Glu275氫鍵與毒物毒性變化正相關(guān)，Leu2←Arg96、IsoAsp3←Arg96和IsoAsp3←Tyr134氫鍵與毒性變化負(fù)相關(guān)；對(duì)于Mn2

7、+參與的離子鍵作用而言，Mn2+-His173、Mn2+-Asn124、Mn2+-Asp92及整體離子鍵作用與PP1活性正相關(guān)，與MCs毒性變化存在負(fù)相關(guān)性。⑵MCLR典型消毒副產(chǎn)物抑制蛋白磷酸酶PP1生物活性差異機(jī)制研究借鑒傳統(tǒng)氯消毒工藝制備 MCLR-DBPs，借助分子毒性試驗(yàn)獲得 MCLR及MCLR-DBPs對(duì)PP1生物活性的抑制順序?yàn)椋篗CLR（2.6μg/L）＞P3（21.3μg/L）＞P1（32.7μg/L）＞P4（73.8

8、μg/L）＞P2（113.7μg/L）＞P5。采用MOE分子模擬技術(shù)，對(duì)MCLR-PP1進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造分別得到各MCLR-DBPs與PP1結(jié)合物，再分別對(duì)其進(jìn)行對(duì)接模擬。研究發(fā)現(xiàn)：配體、Adda5殘基與PP1的結(jié)合面積及配體與 PP1的整體能量變化和毒物毒性變化正相關(guān)，表明消毒過程通過破壞毒素（特別是Adda5）與PP1的結(jié)合，從而削弱其毒性；消毒副產(chǎn)物參與的Leu2←Arg96氫鍵作用受到抑制，同時(shí) Mdha7←Glu275、IsoAs

9、p3←Arg96、Mdha7←Gly274、Adda5←Arg221和 Glu6←His125氫鍵作用得到強(qiáng)化，從而削弱了 MCLR的生物毒性；配體與PP1的共價(jià)鍵 Mdha7-Cys273和毒性變化不具有明顯相關(guān)性，但 PP1的分子內(nèi)Cys273-Asn278和毒物毒性具有負(fù)相關(guān)性，表明消毒過程促進(jìn)了該作用，從而間接削弱MCs的生物毒性；對(duì)于Mn2+參與的離子鍵作用而言，MCLR-DBPs與PP1的離子鍵Mn2+-His173、Mn2

10、+-His248、Mn2+-Asp64及整體離子鍵作用明顯增加，與PP1的活性正相關(guān)，表明MCLR向MCLR-DBPs的轉(zhuǎn)化強(qiáng)化了上述指標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)毒素毒性的降低。⑶微囊藻毒素與谷胱甘肽結(jié)合產(chǎn)物抑制蛋白磷酸酶PP1生物活性差異機(jī)制研究模擬親電加成反應(yīng)制取 MCLR-GSH和 MCRR-GSH，通過分子毒性試驗(yàn)確定MCs/MC-GSHs對(duì)PP1生物活性的抑制順序?yàn)椋篗CLR（2.6μg/L）＞MCRR（23.3μg/L）＞MCLR-GSH（

11、83.4μg/L）＞MCRR-GSH（95.1μg/L）。利用MOE分子對(duì)接軟件，首先對(duì)MCLR-PP1進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造分別得到MCRR、MCLR-GSH、MCRR-GSH與PP1結(jié)合物，再分別進(jìn)行對(duì)接模擬。結(jié)果表明：Adda5殘基與PP1的結(jié)合面積和毒素對(duì) PP1毒性作用正相關(guān)，表明引入 GSH通過破壞 Mdha7與Cys273的共價(jià)結(jié)合，減弱了 Adda5殘基與 PP1作用，削弱毒素毒性；引入 GSH通過減弱 MC-GSHs和 PP1及

12、 H2O的共同作用、X2←Arg96、Glu6?Tyr272、Arg4→Glu275氫鍵或促進(jìn) Mdha7-GSH→Asn278、 Mdha7-GSH→Asn271、Adda5←Arg221氫鍵作用，降低毒素毒性；引入GSH后Cys273-Mdha7共價(jià)作用減小為零，表明GSH與MCs的Mdha7結(jié)合抑制該共價(jià)作用，從而削弱毒素毒性；對(duì)于 Mn2+參與的離子鍵作用而言，引入 GSH，增強(qiáng) Mn2+-His173和 Mn2+-Asp92離