水生生物谷胱甘肽相關(guān)酶對持久性有毒物質(zhì)響應(yīng)機理的研究

李紹娟 王一梟 趙歡 周一兵

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模的日益擴大，以及溢油等突發(fā)事故和災(zāi)害等的發(fā)生，導(dǎo)致大量持久性有毒物質(zhì)排入水體中，使水環(huán)境受到了空前的污染。持久性有毒物質(zhì)包括持久性有機污染物和重金屬，由于其生物積累性、高毒性等特征，對水生生物具有明顯的毒性效應(yīng)［1］，干擾生物的生理功能［2，3］，導(dǎo)致組織發(fā)生障礙甚至器官損傷［4］。生物體利用一系列解毒代謝相關(guān)蛋白對持久性有毒物質(zhì)進行生物轉(zhuǎn)化，降低其對機體的損傷，維持機體正常生理活動及代謝平衡。環(huán)境污染會引起生物體內(nèi)解毒代謝相關(guān)蛋白的變化，探討生物體內(nèi)解毒代謝相關(guān)蛋白的變化成為近年來環(huán)境污染監(jiān)測的重要指標(biāo)之一。

持久性有毒物質(zhì)進入機體后，會與機體解毒代謝酶結(jié)合進行生物轉(zhuǎn)化，谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（gluthione S-transferase，GST）是重要的Ⅱ相解毒酶類，可以催化谷胱甘肽硫基與Ⅰ相代謝產(chǎn)物結(jié)合，增加其疏水性，形成共軛化合物經(jīng)過細(xì)胞膜上的ATP泵泵出胞外，從而達(dá)到解毒的目的［5］。解毒過程會大量產(chǎn)生氧自由基，谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）具有清除脂質(zhì)過氧化物、過氧化氫，減輕有機氫過氧化物的功能，可以減少機體解毒過程中產(chǎn)生的活性氧自由基，防止細(xì)胞膜等生物組織受到氧化損傷［6］。谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶在持久性有毒物質(zhì)生物代謝中的重要作用引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）對環(huán)境污染脅迫的響應(yīng)

1.1 谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）對持久性有機污染物脅迫的響應(yīng)

尹大強等［7］對林丹和溴氰菊酯類單獨作用下鉤蝦（Gammarus puler L.）體內(nèi)谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶GST活性變化進行研究發(fā)現(xiàn)，林丹暴露24h后GST活性明顯上升，48h后，林丹和溴氰菊酯誘導(dǎo)的鉤蝦GST活性均明顯升高。Brain等［8］發(fā)現(xiàn)，多氯聯(lián)苯誘導(dǎo)會影響圓蛤（Mercenariamercenaria）GST活性，誘導(dǎo)后圓蛤的GST活性是原來的5倍。有機污染物脅迫會對水生生物產(chǎn)生損傷，機體通過生物轉(zhuǎn)化降低有機污染物對機體的毒性效應(yīng)，GST作為II相解毒酶，其GST活性隨污染物脅迫發(fā)生改變，但機體不同組織解毒功效不同，因此GST分布及性質(zhì)也存在不同。Isaac等［9］研究了非洲沼蝦（Macrobrachium vollenhovenii）不同組織中GST的性質(zhì)，試驗表明非洲沼蝦的所有組織中都含有GST，并且在肝臟中的活性最高，肌肉中的活性最低。用苯并芘和芘對梭魚（Mugilso-iuy）進行誘導(dǎo)試驗發(fā)現(xiàn)［10］，其肝臟GST呈現(xiàn)誘導(dǎo)效應(yīng)。Bianchini等［11］在對張口蟹（Chasmagnathus granulatus）進行甲基對硫磷注射后發(fā)現(xiàn)其肝胰臟內(nèi)GST活性明顯增加。Sayeed等［12］在用溴氰菊酯誘導(dǎo)月鱧（Channa punctatus）時發(fā)現(xiàn)48h后，其肝臟和腎臟中GST活性升高，而鰓中的活性逐漸衰退，分析認(rèn)為肝和腎臟中GST活性的升高與GSH活性的升高有關(guān)。不同水生生物肝臟GST活性都呈現(xiàn)最高，充分表明肝臟是機體重要的解毒器官，其解毒效能與有機污染物生物轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。

Nunes等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，氯苯氧異丁酸會引起鹵蟲（Artemia parthenogenetica）體內(nèi)GST的顯著抑制。丁秀蓉等［14］發(fā)現(xiàn)，低濃度壬基酚誘導(dǎo)牙鲆（Paralichthys olivaceus）GST活性升高，而高濃度壬基酚誘導(dǎo)則抑制GST活性。穆景利等［15］用苯并芘對黑鯛（Sparusmacrocephalus）進行誘導(dǎo)試驗時發(fā)現(xiàn)，不同濃度下其肝臟內(nèi)GST活性均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。李傳慧等［16］在研究原油對半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevis）幼魚肝臟GST活性的影響時發(fā)現(xiàn)，除低濃度外，其他濃度誘導(dǎo)時GST活性也呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢。由此可見，低濃度有機污染物誘導(dǎo)會引起機體產(chǎn)生大量解毒代謝酶，增強機體解毒能力，促使有機污染物快速代謝；高濃度有機污染物對機體的毒性效應(yīng)已超過機體解毒酶的代謝速率，因此導(dǎo)致大分子酶類受到損傷，酶活性呈現(xiàn)抑制趨勢。

1.2 谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）對重金屬污染脅迫的響應(yīng)

環(huán)境中的重金屬污染往往以游離重金屬離子的形式發(fā)揮毒性，重金屬污染脅迫亦會影響水生生物GST酶活性的變化。Lopes等［17］研究表明銅礦廢水污染水域的淡水魚類肝臟GST活性高于清潔水域。Paris等［18］的研究也發(fā)現(xiàn)，斑馬魚（Danio rerio）暴露在40、140μg/L銅離子中其肝臟GST活性顯著增加。Elumalai［19］研究暴露于不同濃度鋅、汞中青蟹（Carcinusmaenas）GST活性變化時發(fā)現(xiàn)，在肝臟、肌肉和眼中其活性增加?？梢姡珿ST活性的變化趨勢與環(huán)境污染情況密切相關(guān)，機體GST活性的變化可以用于反映環(huán)境中重金屬含量的變化。

2 谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）對環(huán)境污染脅迫的響應(yīng)

2.1 谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）對持久性有機污染物脅迫的響應(yīng)

Livingstone等［20］發(fā)現(xiàn)歐洲黃蓋鰈（Limanda limanda）暴露于含有多環(huán)芳烴的沉積物中80d后，GPx活性比對照降低。張景飛等［21］的研究證明在2，4-DCP的脅迫下，鯽魚（Carassius auratus）谷胱甘肽過氧化物酶（Se-GPx）的活性先被抑制后被誘導(dǎo)。Padey等［22］報道了硫丹降低了月鱧（Channa punnctatus）的 GPx活性。Vijayavel等［23］研究發(fā)現(xiàn)，鋸緣青蟹（Scylla serrata）暴露在萘中，其肝、血淋巴和卵巢GPx活性降低。但是李傳慧等［16］在研究原油對半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevis）幼魚肝臟GPx活性的影響時發(fā)現(xiàn)，GPx變化趨勢與GST相似，出現(xiàn)先增加后降低的趨勢；梁仕杰等［24］在用苯酚誘導(dǎo)紅鯽時發(fā)現(xiàn)，其肝臟內(nèi)GPx活性與有機污染物苯酚之間存在劑量時間依賴效應(yīng)。有機污染物脅迫下谷胱甘肽過氧化物酶在不同生物中出現(xiàn)的不同變化趨勢，分析原因可能與其誘導(dǎo)濃度和時間有關(guān)。另外，由于不同生物對于有機污染物的耐受能力存在差異，在有機污染物脅迫下，氧自由基的產(chǎn)生量不同，產(chǎn)生氧化損傷的程度亦存在差別，因此酶活性表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

2.2 谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）對重金屬污染脅迫的響應(yīng)

王凡等［25］研究牙鲆肌肉中的GPx活性時發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cu2+即會對其活性產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，而高濃度Cu2+則會對GPx活性產(chǎn)生抑制作用。鄧思平等［26］研究鎘對尖紫蛤（Sanguinolaria acuta）抗氧化酶活性證明，在0.05mg/L濃度下，谷胱甘肽過氧化物酶在鰓和消化盲囊中都呈現(xiàn)明顯的時間劑量依賴關(guān)系，在0.5mg/L濃度下，24h、72h活性并不上升，120h時有所下降，消化盲囊中活性在24h迅速升高，然后逐漸下降。不同生物谷胱甘肽過氧化物酶在高濃度重金屬污染脅迫下表現(xiàn)出抑制的現(xiàn)象，可能是由于重金屬在機體內(nèi)與某些生物大分子形成金屬絡(luò)合物，從而導(dǎo)致酶失活或使其生理功能受到抑制，對于這一現(xiàn)象的機理還需要深入探討。

3 谷胱甘肽酶類對環(huán)境污染物脅迫的分子響應(yīng)機制

谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性的變化與這兩種酶基因轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的變化密切相關(guān)，隨著分子生物學(xué)研究的日益廣泛，關(guān)于谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化物酶對污染脅迫響應(yīng)機理的研究也已深入到分子水平。

目前已經(jīng)克隆獲得了鰱魚（Hypophthalmichthysmolitrix）和鳙魚（Aristichthys nobilis）等淡水魚類［27］、日本對蝦（Penaeusmonodon）［28］、斜帶石斑魚（Epinephelus coioides）［29］、花斑溪（Rivulusmarmoratus）［30］等多種水生生物谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）［31］的基因全長序列。Rhee等［32］克隆并分析了琥珀刺沙蠶（Neanthes succinea）中的Ω 型GST 基因發(fā)現(xiàn)，經(jīng)氯化銅（CuCl2）誘導(dǎo)后，該基因的表達(dá)量顯著上升。Hoarau等［33］通過半定量RT-PCR 研究了有機污染物苯并芘（BaP）和重金屬鎘（Cd）對紫貽貝（Mytilus galloprovincialis）的GST-π 基因表達(dá)的影響，結(jié)果表明用BaP（100μg/L）單一處理，紫貽貝消化腺中的GST-π 基因表達(dá)量很低，但是僅用 Cd（200μg/L）處理，或用 Cd（200μg/L）+ BaP（100μg/L）進行聯(lián)合處理會導(dǎo)致該基因的表達(dá)量顯著提高。劉振興等［34］對日本鰻鱺（Anguilla japonica）的兩種谷胱甘肽過氧化物酶進行了克隆，并分析了在不同組織中GPX的表達(dá)差異。研究發(fā)現(xiàn)，鰻鱺的腸、肌肉和肝臟等組織中GPx1和GPx4基因明顯表達(dá)，并且GPx1表達(dá)量明顯高于GPx4。以上研究可以看出在持久性有毒物質(zhì)脅迫條件下水生生物體內(nèi)GST基因也存在被誘導(dǎo)的趨勢，這與這兩種酶在持久性有毒物質(zhì)誘導(dǎo)條件下的變化趨勢基本一致。谷胱甘肽酶類分子生物學(xué)的深入研究為利用谷胱甘肽酶類相關(guān)基因作為環(huán)境監(jiān)測的分子生物標(biāo)記奠定了理論基礎(chǔ)，隨著相關(guān)研究的不斷深入，研究相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控機理，闡述相關(guān)酶類代謝及解毒的分子機制成為下一步的研究方向。

4 展望

由于谷胱甘肽類酶在生物體解毒代謝過程中的重要作用，在環(huán)境問題日益受到關(guān)注的今天，關(guān)于生物體谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶在環(huán)境污染下響應(yīng)機理的研究日益增多，大量研究報道不同污染物脅迫下這兩種酶的變化特征，但是不同動物間酶活變化趨勢存在差別，即使是相同物種，但由于試驗誘導(dǎo)濃度、時間和條件的不同，酶活變化也存在差異，因此很難進行比較和分析。若想以這兩種谷胱甘肽酶作為早期環(huán)境污染監(jiān)測的生物標(biāo)志物需要進行進一步深入細(xì)致的研究，對于不同物種確定適當(dāng)?shù)拿富顪y定方法。

機體對持久性有毒物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化是一系列酶共同作用的結(jié)果，谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶活性的變化也與其他解毒代謝酶活性的變化存在關(guān)聯(lián)性，在確定持久性有毒物質(zhì)對水生生物這兩種酶活性影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他解毒代謝酶對環(huán)境污染的響應(yīng)研究，確定不同酶在解毒代謝過程中的相互作用可以綜合性地對環(huán)境污染進行評價，進而實現(xiàn)早期污染的診斷。

谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶活性的變化從蛋白水平反應(yīng)了機體對持久性有毒物質(zhì)的響應(yīng)，然而蛋白水平的變化與基因表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。目前關(guān)于水生生物谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶基因已陸續(xù)報道，這為逐步開展持久性有毒物質(zhì)脅迫下谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶基因表達(dá)調(diào)控的研究，分析功能基因的表達(dá)特征提供了基礎(chǔ)。功能基因表達(dá)變化與基因上游轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控密切相關(guān)，深入探討解毒代謝調(diào)控通路，研究機體抗氧化防御的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是了解功能基因表達(dá)變化特征的基礎(chǔ)，然而谷胱甘肽相關(guān)酶這方面的報道甚少。因此進一步開展谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽過氧化酶基因表達(dá)特征與持久性有毒物質(zhì)效應(yīng)關(guān)系之間的研究，為快速監(jiān)測環(huán)境污染提供了有效的途徑，亦為了解機體解毒代謝調(diào)控的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)奠定了理論依據(jù)。

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