藻類(lèi)在鎘污染處置方面具有廣闊應(yīng)用前景，但其分子機(jī)制尚不清楚，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所畢永紅研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)藻類(lèi)的重金屬抗性開(kāi)展了大量研究，以模式藍(lán)藻集胞藻PCC 6803為對(duì)象，綜合運(yùn)用生理學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、分子模擬、基因敲除及轉(zhuǎn)基因等手段，解析并驗(yàn)證了集胞藻中Sll1725作為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)鎘離子解毒的分子機(jī)制。

圖1 Sll1725 與鎘相互作用的分子結(jié)構(gòu)模擬（A）Sll1725 單鏈核苷酸結(jié)構(gòu)，（B）模擬在ATP驅(qū)動(dòng)下，Sll1725運(yùn)輸鎘離子的內(nèi)向構(gòu)象（左）與外向構(gòu)象（右）的三維結(jié)構(gòu)，（C）Sll1725 運(yùn)輸鎘離子時(shí)相互作用的二維結(jié)構(gòu)。

圖2 基因修飾后的集胞藻和浮萍在鎘離子脅迫下的反應(yīng)。（A）鎘脅迫下的生長(zhǎng)曲線(xiàn)，（B）鎘脅迫下的表型，（C）葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>D）最大光化學(xué)效率值，（E）鎘處理12小時(shí)及恢復(fù)48小時(shí)后細(xì)胞內(nèi)鎘含量，（F） 5 mg/L鎘濃度下異源過(guò)表達(dá)sll1725的浮萍濕重，（G）鎘脅迫下異源過(guò)表達(dá)sll1725的浮萍干重。

研究發(fā)現(xiàn)，鎘離子脅迫下參與葉綠素合成與光捕獲復(fù)合體相關(guān)蛋白（ChlP,HemF,AcsF1,AcsF2,HemL和Ssr3304等）的表達(dá)量顯著下調(diào)，導(dǎo)致葉綠素a含量和光合效率顯著下降；蛋白轉(zhuǎn)錄比呈高斯分布，轉(zhuǎn)錄調(diào)控受鎘離子影響，355個(gè)高轉(zhuǎn)錄元件被顯著富集在核酸代謝通路。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)鎘離子脅迫下多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)子在mRNA和蛋白質(zhì)水平的表達(dá)上調(diào)，其中屬于第四類(lèi)型轉(zhuǎn)運(yùn)子的Sll1725表達(dá)量最高，但沒(méi)有其參與鎘離子抗性的公開(kāi)報(bào)道。研究獲得了Sll1725的二級(jí)結(jié)構(gòu)并通過(guò)Alphafold2預(yù)測(cè)了三級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)分子模擬ATP驅(qū)動(dòng)Sll1725構(gòu)型變化（圖1），計(jì)算了其與鎘離子的結(jié)合自由能差異，確認(rèn)了Sll1725具有多個(gè)鎘離子結(jié)合位點(diǎn)，推斷Sll1725可通過(guò)外排鎘離子以緩解細(xì)胞毒性。

為驗(yàn)證該機(jī)制，在集胞藻中敲除基因sll1725后分析生理表型和胞內(nèi)外鎘離子含量變化，發(fā)現(xiàn)正常條件下突變株生長(zhǎng)不受影響，但鎘脅迫下生長(zhǎng)和光合效率顯著受抑制，ICP-MS分析發(fā)現(xiàn)突變株較野生型的外排鎘離子能力弱。進(jìn)一步成功將基因異源表達(dá)到浮萍中，獲得過(guò)表達(dá)Sll1725的浮萍表現(xiàn)出良好的鎘耐受性。結(jié)果證實(shí)了Sll1725通過(guò)ATP驅(qū)動(dòng)的構(gòu)型變化實(shí)現(xiàn)鎘離子外排，籍此介導(dǎo)了細(xì)胞的鎘離子解毒作用。

該研究在模式藍(lán)藻中驗(yàn)證了Sll1725轉(zhuǎn)運(yùn)子發(fā)揮鎘離子解毒作用的分子機(jī)制。該成果發(fā)表在Ecotoxicology and Environmental Safety(https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.118389)，博士生阮港為第一作者，畢永紅研究員為通訊作者，侯宏偉研究員、趙旭耀博士和分測(cè)中心的賈書(shū)召、王敏等對(duì)本研究給予技術(shù)支持。