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微囊藻毒素-LR(缩写为MCLR)为水体中毒性最强、最经常爆发的一种毒素,该毒素对生物体呈多种毒性效应(如肝毒性和神经毒性),然而其毒性作用机制至今还不清楚。鉴于此,本研究工作以斑马鱼D.rerio为研究对象,进行不同低浓度MCLR(空白对照组、2和20μg/L毒素处理组,暴露时间为取斑马鱼的肝脏和大脑30d)慢性胁迫下鱼体内肝脏和大脑的蛋白质组学研究;即暴露30 d后,采用双向凝胶电泳(Two-dimensional electrophoresis,简写为2-DE)和基质辅助电离解析飞行时间质谱(Matrix-assisted laser desorption/ionizationtime-of-flight/time-of-flight mass spectrometer,简写为MALDI-TOF/TOF-MS)等方法,研究MCLR胁迫下两种组织蛋白质表达图谱所发生的变化,找出发生显著变化的差异蛋白点,对其进行功能鉴定,继而揭示了由MCLR毒性引起的蛋白质组的变化;另外,本文测定了肝脏和大脑对MCLR的累积量及其蛋白磷酸酶(Protein phosphatase,简写为PP)的活性,同时也从超微结构水平来探讨MCLR所诱导的肝脏细胞损伤程度。该研究工作旨在探讨MCLR对鱼类的慢性毒害效应及其毒性机制,同时为可特异地指示MCs污染的生物标志物的筛选提供理论和实践依据。主要研究结果如下:
1、暴露结束后,毒素胁迫显著提高处理组斑马鱼肝脏内MCLR的累积量和PP活性,如空白对照组中没有检测到MCLR的含量,而2和20μg/L毒素处理组的MCLR含量分别为0.031和0.039μg/mg DW;同样地,相对于对照空白组,20μg/LMCLR处理组的PP活性显著提高2倍。有趣的是,免疫印记实验表明肝脏内蛋白磷酸酶2A(缩写为PP2A)含量与MCLR处理浓度无相关性。MCLR胁迫引起肝脏细胞超微结构的显著损伤:相对于空白对照组,处理组肝脏细胞内粗内质网发生普遍的肿胀,伴随着网槽的扩张或空泡化;线粒体也发生肿胀,许多线粒体失去嵴;最为明显的是,处理组肝脏细胞有蜂窝状结构体的出现。蛋白质组学分析结果表明有22个蛋白质斑点在毒素胁迫下发生显著的变化;经过鉴定,这些蛋白质参与细胞骨架的组装、大分子的代谢、氧化胁迫和信号传导;因此,MCLR慢性肝毒性可引起细胞骨架组装和生物大分子代谢的失常,诱导氧化胁迫的出现,伴随着细胞内信号传导的扰乱。另外,MCLR慢性肝毒性可能启动活性氧(缩写为ROS)途径,而不是PP途径,后者为该毒素急性毒害效应的主要机制。
2、暴露实验结束后,毒素胁迫显著提高斑马鱼大脑内MCLR含量和PP活性,如空白对照组中没有检测到MCLR的累积,而2和20μg/L MCLR处理组的毒素含量分别为0.030和0.053μg/mg DW;同样地,相对于对照空白组,20μg/L MCLR处理组的PP活性显著提高1.3倍。蛋白质组学分析结果表明大脑内有30个蛋白质斑点在毒素胁迫下发生显著的变化;经过鉴定,这些蛋白质参与细胞骨架的组装、生物大分子的代谢、氧化胁迫、信号传导、以及其它功能(如转运、蛋白质降解、细胞凋亡和蛋白质翻译)。综上所述,MCLR的神经毒性可引起氧化胁迫、细胞骨架组装和大分子代谢的异常,以及伴随着信号传导和其它功能(如蛋白质的降解、细胞转运、细胞凋亡和蛋白质翻译)的紊乱,暗示该毒素对斑马鱼大脑神经毒性的复杂性和多样性。斑马鱼大脑的PP活性随着MCLR浓度的增加而升高,可能与毒素胁迫下PP2Cα2的诱导表达相关。另外,该研究提示MCLR的慢性神经毒性启动于ROS和PP途径,然而PP途径与PP2Cα2的显著上调相关的。最后,MCLR可能具有内分泌干扰物质的效应,因为该毒素胁迫显著地诱导卵黄蛋白原的形成;然而具体原因和机制的探讨有待于进一步研究。
值得一提的是,MCLR肝脏毒性和神经毒性引起的蛋白质组变化很相似,即两种毒性均显著影响了参与细胞代谢、骨架蛋白组装、氧化胁迫和信号传导的细胞过程,说明了MCLR的多种毒性效应在某种程度上呈一致性,虽然MCLR神经毒性还特异地影响了细胞转运、蛋白质降解、细胞凋亡和蛋白质翻译的生化过程;然而,即使MCLR两种毒性影响了相似的细胞过程(如细胞代谢、细胞骨架蛋白的组装、氧化胁迫和信号传导),具体参与的蛋白质却不相同,暗示该毒素肝毒性和神经毒性的毒害效应可能存在不同的生化机制。总之,本研究清楚地展现蛋白质组学技术可有效地对MCLR在斑马鱼体内肝毒性和神经毒性的毒害效应进行一些机制上的探讨。