李绍娟 王一枭 赵欢 周一兵

工农业生产的快速发展、城镇建设规模的日益扩大，以及溢油等突发事故和灾害等的发生，导致大量持久性有毒物质排入水体中，使水环境受到了空前的污染。持久性有毒物质包括持久性有机污染物和重金属，由于其生物积累性、高毒性等特征，对水生生物具有明显的毒性效应［1］，干扰生物的生理功能［2，3］，导致组织发生障碍甚至器官损伤［4］。生物体利用一系列解毒代谢相关蛋白对持久性有毒物质进行生物转化，降低其对机体的损伤，维持机体正常生理活动及代谢平衡。环境污染会引起生物体内解毒代谢相关蛋白的变化，探讨生物体内解毒代谢相关蛋白的变化成为近年来环境污染监测的重要指标之一。

持久性有毒物质进入机体后，会与机体解毒代谢酶结合进行生物转化，谷胱甘肽-S-转移酶（gluthione S-transferase，GST）是重要的Ⅱ相解毒酶类，可以催化谷胱甘肽硫基与Ⅰ相代谢产物结合，增加其疏水性，形成共轭化合物经过细胞膜上的ATP泵泵出胞外，从而达到解毒的目的［5］。解毒过程会大量产生氧自由基，谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）具有清除脂质过氧化物、过氧化氢，减轻有机氢过氧化物的功能，可以减少机体解毒过程中产生的活性氧自由基，防止细胞膜等生物组织受到氧化损伤［6］。谷胱甘肽S转移酶和谷胱甘肽过氧化酶在持久性有毒物质生物代谢中的重要作用引起学者的广泛关注。

1 谷胱甘肽硫转移酶（GST）对环境污染胁迫的响应

1.1 谷胱甘肽硫转移酶（GST）对持久性有机污染物胁迫的响应

尹大强等［7］对林丹和溴氰菊酯类单独作用下钩虾（Gammarus puler L.）体内谷胱甘肽转硫酶GST活性变化进行研究发现，林丹暴露24h后GST活性明显上升，48h后，林丹和溴氰菊酯诱导的钩虾GST活性均明显升高。Brain等［8］发现，多氯联苯诱导会影响圆蛤（Mercenariamercenaria）GST活性，诱导后圆蛤的GST活性是原来的5倍。有机污染物胁迫会对水生生物产生损伤，机体通过生物转化降低有机污染物对机体的毒性效应，GST作为II相解毒酶，其GST活性随污染物胁迫发生改变，但机体不同组织解毒功效不同，因此GST分布及性质也存在不同。Isaac等［9］研究了非洲沼虾（Macrobrachium vollenhovenii）不同组织中GST的性质，试验表明非洲沼虾的所有组织中都含有GST，并且在肝脏中的活性最高，肌肉中的活性最低。用苯并芘和芘对梭鱼（Mugilso-iuy）进行诱导试验发现［10］，其肝脏GST呈现诱导效应。Bianchini等［11］在对张口蟹（Chasmagnathus granulatus）进行甲基对硫磷注射后发现其肝胰脏内GST活性明显增加。Sayeed等［12］在用溴氰菊酯诱导月鳢（Channa punctatus）时发现48h后，其肝脏和肾脏中GST活性升高，而鳃中的活性逐渐衰退，分析认为肝和肾脏中GST活性的升高与GSH活性的升高有关。不同水生生物肝脏GST活性都呈现最高，充分表明肝脏是机体重要的解毒器官，其解毒效能与有机污染物生物转化密切相关。

Nunes等［13］的研究发现，氯苯氧异丁酸会引起卤虫（Artemia parthenogenetica）体内GST的显著抑制。丁秀蓉等［14］发现，低浓度壬基酚诱导牙鲆（Paralichthys olivaceus）GST活性升高，而高浓度壬基酚诱导则抑制GST活性。穆景利等［15］用苯并芘对黑鲷（Sparusmacrocephalus）进行诱导试验时发现，不同浓度下其肝脏内GST活性均呈现先增高后降低的趋势。李传慧等［16］在研究原油对半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevis）幼鱼肝脏GST活性的影响时发现，除低浓度外，其他浓度诱导时GST活性也呈现了先上升后下降的趋势。由此可见，低浓度有机污染物诱导会引起机体产生大量解毒代谢酶，增强机体解毒能力，促使有机污染物快速代谢；高浓度有机污染物对机体的毒性效应已超过机体解毒酶的代谢速率，因此导致大分子酶类受到损伤，酶活性呈现抑制趋势。

1.2 谷胱甘肽硫转移酶（GST）对重金属污染胁迫的响应

环境中的重金属污染往往以游离重金属离子的形式发挥毒性，重金属污染胁迫亦会影响水生生物GST酶活性的变化。Lopes等［17］研究表明铜矿废水污染水域的淡水鱼类肝脏GST活性高于清洁水域。Paris等［18］的研究也发现，斑马鱼（Danio rerio）暴露在40、140μg/L铜离子中其肝脏GST活性显著增加。Elumalai［19］研究暴露于不同浓度锌、汞中青蟹（Carcinusmaenas）GST活性变化时发现，在肝脏、肌肉和眼中其活性增加。可见，GST活性的变化趋势与环境污染情况密切相关，机体GST活性的变化可以用于反映环境中重金属含量的变化。

2 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）对环境污染胁迫的响应

2.1 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）对持久性有机污染物胁迫的响应

Livingstone等［20］发现欧洲黄盖鲽（Limanda limanda）暴露于含有多环芳烃的沉积物中80d后，GPx活性比对照降低。张景飞等［21］的研究证明在2，4-DCP的胁迫下，鲫鱼（Carassius auratus）谷胱甘肽过氧化物酶（Se-GPx）的活性先被抑制后被诱导。Padey等［22］报道了硫丹降低了月鳢（Channa punnctatus）的 GPx活性。Vijayavel等［23］研究发现，锯缘青蟹（Scylla serrata）暴露在萘中，其肝、血淋巴和卵巢GPx活性降低。但是李传慧等［16］在研究原油对半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevis）幼鱼肝脏GPx活性的影响时发现，GPx变化趋势与GST相似，出现先增加后降低的趋势；梁仕杰等［24］在用苯酚诱导红鲫时发现，其肝脏内GPx活性与有机污染物苯酚之间存在剂量时间依赖效应。有机污染物胁迫下谷胱甘肽过氧化物酶在不同生物中出现的不同变化趋势，分析原因可能与其诱导浓度和时间有关。另外，由于不同生物对于有机污染物的耐受能力存在差异，在有机污染物胁迫下，氧自由基的产生量不同，产生氧化损伤的程度亦存在差别，因此酶活性表现出不同的变化趋势。

2.2 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）对重金属污染胁迫的响应

王凡等［25］研究牙鲆肌肉中的GPx活性时发现，低浓度的Cu2+即会对其活性产生诱导作用，而高浓度Cu2+则会对GPx活性产生抑制作用。邓思平等［26］研究镉对尖紫蛤（Sanguinolaria acuta）抗氧化酶活性证明，在0.05mg/L浓度下，谷胱甘肽过氧化物酶在鳃和消化盲囊中都呈现明显的时间剂量依赖关系，在0.5mg/L浓度下，24h、72h活性并不上升，120h时有所下降，消化盲囊中活性在24h迅速升高，然后逐渐下降。不同生物谷胱甘肽过氧化物酶在高浓度重金属污染胁迫下表现出抑制的现象，可能是由于重金属在机体内与某些生物大分子形成金属络合物，从而导致酶失活或使其生理功能受到抑制，对于这一现象的机理还需要深入探讨。

3 谷胱甘肽酶类对环境污染物胁迫的分子响应机制

谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性的变化与这两种酶基因转录水平调控的变化密切相关，随着分子生物学研究的日益广泛，关于谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化物酶对污染胁迫响应机理的研究也已深入到分子水平。

目前已经克隆获得了鲢鱼（Hypophthalmichthysmolitrix）和鳙鱼（Aristichthys nobilis）等淡水鱼类［27］、日本对虾（Penaeusmonodon）［28］、斜带石斑鱼（Epinephelus coioides）［29］、花斑溪（Rivulusmarmoratus）［30］等多种水生生物谷胱甘肽硫转移酶（GST）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）［31］的基因全长序列。Rhee等［32］克隆并分析了琥珀刺沙蚕（Neanthes succinea）中的Ω 型GST 基因发现，经氯化铜（CuCl2）诱导后，该基因的表达量显著上升。Hoarau等［33］通过半定量RT-PCR 研究了有机污染物苯并芘（BaP）和重金属镉（Cd）对紫贻贝（Mytilus galloprovincialis）的GST-π 基因表达的影响，结果表明用BaP（100μg/L）单一处理，紫贻贝消化腺中的GST-π 基因表达量很低，但是仅用 Cd（200μg/L）处理，或用 Cd（200μg/L）+ BaP（100μg/L）进行联合处理会导致该基因的表达量显著提高。刘振兴等［34］对日本鳗鲡（Anguilla japonica）的两种谷胱甘肽过氧化物酶进行了克隆，并分析了在不同组织中GPX的表达差异。研究发现，鳗鲡的肠、肌肉和肝脏等组织中GPx1和GPx4基因明显表达，并且GPx1表达量明显高于GPx4。以上研究可以看出在持久性有毒物质胁迫条件下水生生物体内GST基因也存在被诱导的趋势，这与这两种酶在持久性有毒物质诱导条件下的变化趋势基本一致。谷胱甘肽酶类分子生物学的深入研究为利用谷胱甘肽酶类相关基因作为环境监测的分子生物标记奠定了理论基础，随着相关研究的不断深入，研究相关基因表达调控机理，阐述相关酶类代谢及解毒的分子机制成为下一步的研究方向。

4 展望

由于谷胱甘肽类酶在生物体解毒代谢过程中的重要作用，在环境问题日益受到关注的今天，关于生物体谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶在环境污染下响应机理的研究日益增多，大量研究报道不同污染物胁迫下这两种酶的变化特征，但是不同动物间酶活变化趋势存在差别，即使是相同物种，但由于试验诱导浓度、时间和条件的不同，酶活变化也存在差异，因此很难进行比较和分析。若想以这两种谷胱甘肽酶作为早期环境污染监测的生物标志物需要进行进一步深入细致的研究，对于不同物种确定适当的酶活测定方法。

机体对持久性有毒物质的生物转化是一系列酶共同作用的结果，谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶活性的变化也与其他解毒代谢酶活性的变化存在关联性，在确定持久性有毒物质对水生生物这两种酶活性影响的基础上，结合其他解毒代谢酶对环境污染的响应研究，确定不同酶在解毒代谢过程中的相互作用可以综合性地对环境污染进行评价，进而实现早期污染的诊断。

谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶活性的变化从蛋白水平反应了机体对持久性有毒物质的响应，然而蛋白水平的变化与基因表达调控密切相关。目前关于水生生物谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶基因已陆续报道，这为逐步开展持久性有毒物质胁迫下谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶基因表达调控的研究，分析功能基因的表达特征提供了基础。功能基因表达变化与基因上游转录因子的调控密切相关，深入探讨解毒代谢调控通路，研究机体抗氧化防御的细胞信号转导系统是了解功能基因表达变化特征的基础，然而谷胱甘肽相关酶这方面的报道甚少。因此进一步开展谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化酶基因表达特征与持久性有毒物质效应关系之间的研究，为快速监测环境污染提供了有效的途径，亦为了解机体解毒代谢调控的信号转导系统奠定了理论依据。

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