镉的吸收及细胞内的重新分布与细胞解毒机制研究

摘要

近几年来，重金属污染导致群体性健康损害的事件发生频繁，重金属污染及其健康风险成为影响社会和谐稳定的关因素之一。镉是剧毒重金属元素，在食物链的各个环节间实现一定的积累和转移，可以通过消化道等组织器官被直接吸收，从细胞、组织、器官到个体的各个层面对生物体产生一系列毒害作用。随着工农业的发展，镉污染危害日益严重，生物修复因为其具有众多优点而备受推崇，其中的关键是获取镉高耐受性的物种。因而研究镉的吸收、细胞内的重新分布与细胞解毒分子机制对镉污染防治和环境修复有着重要意义。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是简单的真核生物，它遗传操作简单、基因组全序列清楚、易于培养和收获，是适合研究重金属响应机制的模式生物。
　　许多研究表明镉胁迫可以诱导酿酒酵母细胞内一系列的生理、生化变化，然而镉对细胞内离子平衡的影响以及镉和其他离子之间的相互作用研究甚少。因此，我们首先通过ICP-AES方法检测了镉处理下Zn2+、Fe3+、Cu2+、K+、Mg2+和Ca2+含量，数据显示Zn2+和Fe3+含量增加，而Cu2+、K+含量降低。后续的镉和其它离子之间胁迫响应分析，表明干扰胞内阳离子的稳态可能是镉细胞毒性的一个方面。此外，适当浓度的外源 Zn2+、Ca2+、Fe3+、Mg2+、K+可以补救镉的毒性影响。
　　通过对酵母必需基因高表达库的筛选，发现了六个镉胁迫响应的基因，包括：OLE1、PRP16、PCL8、MRS6、NOP1、RTP1，其中高表达MRS6后明显提高细胞对镉的抗性。MRS6编码Rab护送蛋白，与YPT1p（Rab家族GTP酶）形成复合物，激发Rab GTP酶的活性，参与内质网到高尔基体小泡的转运。深入研究表明 MRS6超表达改变了细胞内镉的分布，但机制独立于GSH1-YCF1液泡通路，也独立于镉的质膜转运子Pca1p通路。进一步的研究结果表明MRS6介导的镉耐受性依赖于内质网-高尔基体囊泡运输系统的完整性，而且蛋白转运抑制剂BrefeldinA可以有效阻止MRS6介导的镉外排。此外，超表达MRS6降低镉诱导的UPR效应，缓解内质网应激，也是镉抗性形成的重要原因。
　　最后，我们探讨了硫饥饿与mRNA错译与镉抗性之间的联系。生物一般通过高精准的基因转录、mRNA质量控制、核糖体校对等途径维持遗传信息的保守性，低水平的mRNA错译对于真核生物产生的有利表型了解甚少。我们的研究结果表明镉处理能诱导mRNA错译，mRNA误译的增加导致显著的耐镉表型，这种表型与通过Sul1p转运子介导的硫饥饿相关，且过程中需要半胱氨酸的生物合成。该结果提示了镉介导细胞毒性的新机制。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1.绪论

1.1重金属镉概述

1.2环境镉污染的危害

1.3镉污染的治理

1.4重金属镉的毒性作用机理

1.5微生物耐镉机制研究现状

1.6课题的研究意义与内容

2.酿酒酵母镉对胞内阳离子稳态的影响

2.1 镉显著抑制酵母菌株的生长

2.2 镉影响了细胞内阳离子水平

2.3 野生型和离子转运缺陷菌株的镉胁迫响应表型分析

2.4 阳离子对镉毒性的影响

2.5 小结讨论

3.酿酒酵母镉解毒的新途径

3.1 抗镉基因的筛选

3.2 高表达MRS6基因有特异性镉抗性

3.3 MRS6解毒机制独立于GSH1-YCF1通路

3.4 MRS6促进镉移位，独立于Pca1p通路

3.5 MRS6通过囊泡途径促进镉外排

3.6 MRS6降低了镉引起的UPR效应

3.7 小结讨论

4.硫饥饿和mRNA错译介导酿酒酵母镉抗性

4.1 硫饥饿菌株显示镉抗性表型

4.2 镉处理和硫饥饿都能诱发mRNA错译

4.3 硫转运子Sul1介导的硫饥饿导致镉处理引起了错译

4.4 半胱氨酸的生物合成对于镉诱发的错译是必需的

4.5 小结讨论

5.结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢