本站讯 近日，中国海洋大学环境科学与工程学院近海环境污染与生态健康研究所藻毒素与生态健康团队李爱峰教授联合厦门大学林森杰教授团队在硅藻细胞内神经毒素β-N-甲氨基-L-丙氨酸（β-N-methylamino-L-alanine，BMAA）的生物合成机制领域取得最新进展。相关成果以“Induction of a neurotoxin in diatoms by iron limitation via cysteine synthase”（铁限制通过半胱氨酸合成酶诱导硅藻产生一种神经毒素）为题，于6月9日在国际顶级综合类期刊PNAS在线发表。
BMAA是一种氨基酸衍生物，可通过多种机制损伤动物与人的运动神经元，被认为是诱发阿尔茨海默症（AD）、肌萎缩侧索硬化（ALS）和帕金森痴呆综合症（PDC）等神经退行性疾病的重要环境因子，已成为科学界关注的热点问题。早在20世纪50年代，科学家提出“苏铁假说”以解释太平洋关岛地区土著人群中高发的ALS-PDC疾病的致病因素，认为苏铁（Cycas circinalis）毒素参与了该类疾病的发病过程。20世纪60年代，科学家从苏铁种子中分离发现了具有神经毒性的BMAA，由此人们开始关注BMAA的致毒机理、生物来源及其合成机制。进入21世纪后，科学家发现苏铁组织中的BMAA毒素源自其根部共生的蓝细菌，水环境中浮游生长的蓝细菌也可产生BMAA，且毒素可沿食物链传递并具有生物放大现象。同期，中国海洋大学环境科学与工程学院近海环境污染与生态健康研究所藻毒素与生态健康团队率先在国内开展了BMAA毒素的生态风险研究，开创了我国在BMAA毒素领域研究的先河。
该研究选择极小海链藻（Thalassiosira minima）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）等硅藻株系，利用转录组、原核表达与纯化目的基因、体外生化实验、CRISPR/Cas9基因敲除技术，首次揭示了硅藻中蛋白结合态BMAA的合成路径，为探究海洋硅藻BMAA毒素的生物合成与环境调控机制奠定了基础。
铁限制是诱导硅藻合成BMAA毒素的关键环境因素。调查研究发现，室内培养的12种海链藻、角毛藻等硅藻株系均产生蛋白结合态BMAA，但未发现游离态形式，说明室内培养的硅藻合成的BMAA毒素以蛋白结合态为主，即BMAA镶嵌蛋白。在铁限制（1/3 × Fe）培养条件下，这12株硅藻的生长速率普遍受到抑制，但其中8株硅藻的BMAA合成水平显著升高，尤其是极小海链藻细胞内BMAA含量增加了7.47倍，说明铁限制诱导硅藻合成BMAA具有普遍性。
转录组分析逐步锁定半胱氨酸合成酶（CysK）在硅藻合成BMAA过程中的调控作用。铁限制和常规条件下培养的极小海链藻的转录组分析，构建了包含11万余个unigene的参考转录组，鉴定出超过2.6万个差异表达基因。KEGG通路富集结果显示，蛋白酶体、核糖体、内质网蛋白加工及囊泡运输等与蛋白质合成加工相关的通路受到显著影响，提示BMAA镶嵌蛋白的合成与积累可能与细胞内蛋白质的合成与翻译后修饰过程有关。结合前期对氮限制、蓝细菌共培养等条件下培养的极小海链藻的转录组分析结果，发现编码CysK的基因显著上调与BMAA合成量增加有关（图1）。由此推测，CysK可能作为BMAA生物合成的核心催化酶，介导BMAA的生成过程。
图1. 硅藻细胞内BMAA含量与CysK的基因表达水平及其含量的相关性分析
CysK调控硅藻合成BMAA的路径假设与功能验证。由于室内培养的硅藻合成的BMAA以镶嵌蛋白的形式存在，推测硅藻合成BMAA是在肽链或蛋白的修饰加工过程中由氨基酸残基经修饰原位形成的。基于CysK的催化功能和BMAA的化学结构特征，推测CysK催化半胱氨酸残基与甲胺发生亲核反应形成BMAA残基结构。研究团队通过原核生物表达和体外酶活实验，证实了添加外源CysK和甲胺能够促进硅藻细胞内BMAA的生成。为了进一步证明半胱氨酸合酶基因（cysK）的调控作用，选择三角褐指藻为模式硅藻，利用CRISPR/Cas9技术敲除硅藻细胞的cysK基因，获得两株基因编辑株（图2），经检测分析发现均丧失合成BMAA的能力。外源添加原核生物表达和纯化的CysK蛋白后，基因编辑硅藻又能恢复合成BMAA的能力，进一步证实了CysK作为必需酶在硅藻细胞内BMAA毒素生物合成中的关键作用。
图2. CRISPR/Cas9生成的基因编辑藻株的cysK序列的敲除情况。图中红色高亮框表示被敲除的碱基
综上，该研究提出硅藻细胞内CysK催化肽链中半胱氨酸残基和甲胺发生亲核反应，原位生成BMAA的分子机制（图3）。
图3. 海洋硅藻中蛋白结合态BMAA的生物合成途径
海洋中铁元素的供应常受限制，尤其在远洋及部分近岸水体，铁缺乏成为制约浮游植物生长的重要因素。铁限制不仅抑制硅藻的生长，还显著诱导BMAA合成，这一双重效应使得BMAA在海洋生态系统中的潜在风险大幅增加。环境铁浓度降低会激活cysK表达，增强蛋白结合态BMAA的合成，提示硅藻通过代谢调节应对铁胁迫环境，并可能利用BMAA调节蛋白质功能、参与抗氧化及金属解毒等细胞响应过程。
该研究系统揭示了典型海洋硅藻合成BMAA的分子机制，明确了半胱氨酸合成酶的催化作用及其在铁限制诱导下的调控网络，为理解海洋浮游植物毒素合成提供了全新视角，对于保护海洋生态系统和人类健康具有重要意义。
郑显耀通过光学显微镜对硅藻样品进行藻类细胞计数及状态评估
中国海洋大学李爱峰教授、厦门大学李凌高级工程师为该论文的共同通讯作者。中国海洋大学博士生郑显耀、厦门大学博士生吴帅帅为并列第一作者。中国海洋大学是该论文的第一完成单位和通讯作者单位。该项目受国家自然科学基金-山东联合基金重点项目（U2106205）和山东省泰山学者特聘专家项目（tstp20231216）资助。
通讯员：郑显耀
编辑：赵奚赟
责任编辑：刘莅
