金属结合蛋白基因及其在清除重金属污染中的应用焦芳婵,毛雪,李润植(山西农业大学农业生物工程研究中心山西太谷030801)摘要:一些微生物和植物由于对毒性金属具有独特的抗性机制,使得利用它们来清除日益严重的环境污染已发展成为一种十分有效的技术———生物修复。研究表明,不同的金属结合蛋白(如MT和PC),在生物忍耐和降解过量重金属毒性机制中起重要作用。愈来愈多的MT和PC基因被克隆,并已成功地应用于生物遗传转化,这些转基因生物在清除重金属污染方面已显示出潜在的应用价值。关键词:金属结合蛋白;生物修复;重金属污染中图分类号:Q819文献标识码:A文章编号:0253-9772(2002)01-0082-05GenesofMetal-bindingProteinsandTheirApplicationinBioremediationofHeavyMetalsJIAOFang2chan,MAOXue,LIRun2zhi(CenterforAgriculturalBiotechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,030801,China)Abstract:Heavymetalpollutionhasbecomeaglobalenvironmentalhazard.Theuseofmicroorganismsandplantsforthedecontaminationofheavymetalsisrecognizedasalowlostandhighefficiencymethodforcleaningupmetalcontamina2tion.Itshowsthatvariousmetal-bindingproteinssuchasmetallothioneins(MTs)orphytochelatines(PCs)playanim2portantroleindefensesystemsanddetoxificationtoheavymetalsinorganisms.ManygenesofMTsandPCshavebeenclonedandutilizedsuccessfullyingeneticallymodifiedbacteriaandplantsforincreasingremediationcapacity.Thesetrans2genicorganismshavebeendisplayedagreatpotentialinbioremediationandphytoremediationofheavymetals.Keywords:metal-bindingproteins;bioremediation;heavymetalpollution许多金属离子作为微量元素是生物代谢所必需的,然而超过一定浓度时,便对生物产生毒害。如今,重金属污染已日益成为威胁人类健康和影响人类生活质量的一种全球性的环境公害。其中镉(Cd)是农用土地的主要污染物,它来自磷肥的过量使用、污水淤泥的利用以及大气沉积物等。此外,Cd2+又易被许多作物吸收,如禾谷类作物、马铃薯、蔬菜等,所以在人类食物和整个农业环境中Cd污染日益严重。常规的除污法(机械去污法和掩埋)存在耗资费力,破坏环境等问题,利用微生物和植物清除重金属污染便引起了人们极大的关注。生物通过不同的防御机制来响应重金属胁迫,如排斥、区室化作用、复合物的形成、结合蛋白的形成(如MT和PC),而使本身不受毒害。为增加微生物和植物对重金属的解毒作用,采用DNA重组技术将金属结合蛋白基因导入生物体内是一种极好的策略,在这方面已进行了大量的研究,并取得了明显的进展。1MT基因及其介导的重金属抗性机制在动物、高等植物、真核微生物和一些原核生物中发现的重金属结合肽(如Metallothioneins,MTs),是一类低分子质量的(6～7kDa)、富含半胱氨酸(Cys)、但不含芳香族氨基酸和组氨酸的蛋白质[1],它们通过半胱氨酸残基上的巯基与重金属结合形成无毒或低毒的络合物,从而清除重金属的毒害收稿日期:2001-05-01;修回日期:2001-08-06基金项目:山西省青年学科带头人基金和归国留学人员科研基金项目资助作者简介:焦芳婵(1975-),女,山西人,硕士研究生,专业方向:植物遗传改良。通讯作者:李润植(1959-),男,山西人,博士,教授,专业方向:植物分子遗传与基因工程。电话:0354∃6288374,E-mail:Lirunzhi@public.yz.sx.cn遗传HEREDITAS(Beijing)24(1):82～86,2002专论与综述作用[2]。MT具有Cys2Cys,Cys2X2Cys和Cys2X2X2Cys基序(X代表任何氨基酸)的富含Cys结构域。MT生物合成在转录水平上被调控,可被激素、细胞毒性介质、金属(包括Cd、Cu、Zn、Hg、Au、Co、Ni、Bi)等因素诱导[3]。MT能够隔离一些非必要金属,如Hg、Pb、Bi、Ag、Pt[4]。根据半胱氨酸的含量和结构,MT可分为三类:classⅠMT、classⅡMT和classⅢMT。哺乳动物的MT属于classⅠMT,有61个氨基酸,其中20个是半胱氨酸残基[3]。它们含有结合7个二价金属离子或者12个单价金属离子的两个不同的结构域。酵母、蓝细菌和一些高等植物中发现的MT是classⅡMT,它们的半胱氨酸与classⅠMT的分布不同。植物细胞对重金属抗性的主要作用机制是螯合...
