藻对砷的生物转化及生化与分子机制研究

With arsenic pollution in the environment in mind, this project will focus on the biotransformation of arsenic (arsenate reduction, arsenite methylation and volatilization of organic arsenic). The role and mechanism of algae in arsenic biotransformation will be studied, with special interest given to the protein function-structure relationship on the molecular level. The main aims of this project includes: (1)the cloning and functional studies of key genes involved in arsenic biotransformation in model algae: Based on the physilogical data, arsenate reductase and arsenic methyltransferase genes will be cloned from model algae's genomes. These genes will then be expressed in E. coli and their function will be studied; (2)the expression, purification, and crystal structural studies of the proteins involved in arsenic biotransformation in model algae. The function-structure relationship will be studied, thus making the structure-based genetic engeneering possible..This project is of significance for studying algae's role in arsenic biogeochemistry, fate, and toxicity. The research on arsenic volatilization, especially its molecular mechanism and structural basis, is just emerging and novel.

本项目针对环境中的砷污染，以砷的生物转化（五价砷还原和三价砷的甲基化以及有机砷的挥发）为切入点，围绕藻在砷的生物转化中的作用及机理开展研究，尤其是在分子水平上的蛋白质结构与功能研究。主要研究内容包括：（１）模式藻砷转化的关键基因克隆与功能表征：在生理研究的基础上克隆模式藻基因组中的砷还原和甲基化基因，并通过在大肠杆菌相关突变体中的基因表达与功能互补试验表征所克隆基因的功能；（２）模式藻砷转化的蛋白质的表达、纯化和晶体结构研究，揭示其结构与功能关系，从而使以分子结构为基础的基因工程成为可能。.本项目对认识藻对环境中砷的生物地球化学行为、归宿和生物毒性具有指导意义。有关砷的生物挥发的研究，尤其是其分子机理和结构基础的研究，目前国际上刚刚开始，具有明显的创新性。

砷污染在环境中大量存在，砷的毒性和移动性与其形态密切相关。本项目对藻中砷转化的关键基因，包括集胞藻砷甲基转移酶、砷酸还原酶、arsH基因、念珠藻砷去甲基化酶、螺旋藻砷甲基转移酶等，在分子水平上进行了机理研究。表达、纯化了集胞藻砷甲基转移酶、砷酸还原酶和ArsH，培养出晶体并解析了其三维结构。我们发现ArsH可以还原六价铬和三价铁，念珠藻ArsI可以将三价甲基砷去甲基化成亚砷酸，螺旋藻砷甲基转移酶可以甲基化砷。我们还对微生物中砷甲基化与去甲基化的关系进行了探讨，发现在念珠藻中，砷甲基转移酶基因NsarsM是组成表达的，而去甲基酶基因NsarsI可以被诱导表达。我们的研究对于从分子水平理解这些关键基因的作用机理，加深对砷生物地球化学循环的认识具有重要意义。