Science：鑒定出有害藻花產生強效神經毒素軟骨藻酸的基因簇

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在一項新的持續了5年的研究中，來自美國加州大學聖地亞哥分校、克雷格文特爾研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）、莫斯蘭丁海洋實驗室、南加州大學、加拿大達爾豪斯大學和捷克南波西米亞大學的研究人員發現了產生軟骨藻酸（domoic acid）的遺傳基礎，其中軟骨藻酸是一種由有害藻類大量繁殖產生的強效神經毒素。

相關研究結果發表在2018年9月28日的Science期刊上，論文標題為「Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom」。

有害的藻類大量繁殖（algal bloom, 也稱有害藻類水華，有害藻華）會對世界各地的沿海地區造成重大的經濟和環境破壞。這些藻華偶爾產生的毒素能夠讓海洋哺乳動物患病，並且當這些毒素在海鮮中聚集時會危機人體健康。接觸高劑量的軟骨藻酸---由一種屬於擬菱形藻（Pseudo-nitzschia）的硅藻類浮游植物產生---可導致記憶喪失性貝類中毒，這是一種以癲癇發作和短期記憶喪失為特徵的潛在致命性疾病。

在這項新的研究中，這些研究人員鑒定出海洋浮游植物擬菱形藻中的與軟骨藻酸產生相關的一個基因簇。

這種類型的微藻是值得注意的，這是因為在2015年夏天，它引起了從阿拉斯加州到加州聖巴巴拉市的北美西海岸有史以來記錄的最大的有害藻華，並導致漁業和捕蟹季節的關閉，以保護消費者免受潛在的貝類中毒。

軟骨藻酸（domoic acid）化學結構式。

儘管人們已對擬菱形藻開展了數十年的研究，但是這些海洋浮游植物毒性的分子基礎仍是不清楚的。這些研究人員發現，這些新鑒定出的基因含有製造軟骨藻酸毒素的生物學指令，而且當擬菱形藻產生這種毒素時，這些基因處於「開啟」狀態。

論文共同第一作者、加州大學聖地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所的Patrick Brunson說，「通過鑒定出編碼軟骨藻酸產生的基因，我們如今能夠提出關於開啟或關閉這些基因的各種海洋條件的問題。這些知識將讓我們能夠在遺傳水平上追蹤這種藻華毒素的產生。」

通過展示如何在體外培養時開啟這些產生軟骨藻酸的基因，這些研究人員提出了一種將促進藻花進化的海洋條件與毒素產生相關聯在一起的方法。

美國國家科學基金會海洋科學部項目主任Hedy Edmonds說，「了解藻花如何產生毒素以及哪些條件導致這種毒素產生是至關重要的。這項研究提供了一種潛在的工具用於監測藻花和在這種情形發生之前預測毒素的產生。」

有害的藻花是難以預測的，並且引起藻花的生物通常具有非常複雜的大型基因組。這些研究人員表示，這項研究的最大意義在於能夠在遺傳水平上研究藻花。對參與軟骨藻酸產生的基因的了解將允許對藻花進行遺傳監測，並有助於鑒定觸發毒素產生的條件。

論文共同通信作者、加州大學聖地亞哥分校史卡格斯藥學與藥物科學學院的Bradley Moore說，「由於藻類的基因組是非常複雜的，海洋微藻毒素的生物合成途徑在相當長的一段時間內仍然是難以捉摸的。如今，我們已有了擬菱形藻的基因組和一種產生軟骨藻酸的遺傳途徑，我們也開始明白為何這些微藻會產生毒素，以及這種能力是如何被激活的。這些新知識最終可能會更好地讓我們如何預測未來的毒素產生事件並為此做好準備。」

這項新的研究建立在南加州大學的David Hutchins於2011年完成的一項研究，在那項研究中，Hutchins等人已發現當海洋中存在有限磷酸鹽和二氧化碳含量增加時，硅藻類海洋浮游植物能夠大量地產生軟骨藻酸而變得有害。這一發現具有重要意義，部分原因是科學家們已觀察到，由於人類社會使用化石燃料，海洋吸收了更多的超過自然水平的二氧化碳數量。這種更多的二氧化碳吸收和海洋溫度上升意味著軟骨藻酸事件變得更加普遍，毒性更大，持續時間比前幾十年更長。這些研究人員利用Hutchins領銜的那項研究的結果來鑒定出這些負責產生這種毒素的基因。

論文共同通信作者、在JCVI和克里普斯海洋學研究所同時任職的生物學家和硅藻基因組學專家Andrew S Allen說，「我們發現非常有趣的是，在體外培養時，磷酸鹽限制和增加的二氧化碳能夠對軟骨藻酸產生具有如此強烈而微妙的影響。我們能夠直接地將基因表達與這種毒素產生相關聯在一起，而且這一觀察結果導致我們直接發現了這些編碼軟骨藻酸產生的基因。」

在Allen實驗室開展研究工作的JCVI研究人員從這種微藻中提取出RNA轉錄本並進行測序，這種方法能夠測量有活性的基因。隨後對由RNA轉錄物編碼的遺傳序列的分析鑒定出據推測產生這種毒素的基因。在Moore實驗室中開展的體外生物化學實驗隨後確定了一系列產生這種毒素核心結構的酶。

論文共同第一作者、克里普斯海洋學研究所海洋生物技術與生物醫學中心博士後研究員Shaun McKinnie說，「合成軟骨藻酸的一些生物合成酶在遺傳水平和生化水平上是獨一無二的。鑒於我們能夠將這些診斷性的化學轉換與它們的酶和基因相關聯在一起，我們希望科學家們能夠開始預測有害藻華中的軟骨藻酸毒性潛力，從而作為當前的監測方法的補充。」

對有害藻華的監測和預測進行研究的科學家們表示，這一發現為增加對這種現象的理解提供了希望，並有助於更好地預測軟骨藻酸事件的軌跡，以應對未來的氣候變化。

美國南加州海岸海洋觀測系統（Southern California Coastal Ocean Observing System, SCCOOS）主任、生物海洋學家和有害藻華研究員Clarissa Anderson（未參與這項研究）說，「這一突破標誌著我們對這些事件的理解迎來一個明顯的轉折點，這是因為圍繞著擬菱形藻的有毒藻華存在著的大量不確定性是我們對軟骨藻酸合成本身的未充分掌握的結果。在美國西海岸和其他地方預報有害藻華的最高目標是預測擬菱形藻何時何地和最終為何啟動或關閉軟骨藻酸產生。我們可能永遠無法阻止這種有害的藻華，但是我們能夠更好地監測軟骨藻酸產生的早期階段。」

參考資料：

John K. Brunson1,2,*, Shaun M. K. McKinnie1,*, Jonathan R. Chekan et al. Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom. Science, 28 Sep 2018, 361(6409):1356-1358, doi:10.1126/science.aau0382.

Georg Pohnert, Remington X. Poulin, Tim U. H. Baumeister. The making of a plankton toxin. Science, 28 Sep 2018, 361(6409):1308-1309, doi:10.1126/science.aau9067.

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