端粒简介

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duān lì

2 注解

端粒通常是由富含鸟嘌呤核苷酸(G)的短的串联重复序列组成，伸展到染色体的3，端。一个基因组内的所有端粒，即一个细胞里不同染色体的端粒都由相同的重复序列组成，但不同物种的染色体端粒的重复序列是各异的。哺乳动物和其他脊椎动物染色体端粒的重复序列中有一个TTAGGG保守序列，串联重复序列的长度在2 kb到20 kb之间。

端粒的重复序列不是在染色体DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶(telomerase)合成后添加到染色体的末端。端粒酶最早是在四膜虫(Tetrahymena)中发现的。1985年，Blackbaurn 和Greider发现人工合成四膜虫端粒的DNA片段(TTGGGG)4，可被四膜虫细胞抽提物中的一种活性物质加长，这种活性物质对热、蛋白酶K和RNA酶都敏感。端粒区内的DNA重复序列的结构是很特殊的，是一种单链断开的结构，可以不受DNA连接酶的作用。此外，最末端的一些堿基可能是“发夹”结构，这样就不会被核酸酶识别而免遭降解。

端粒酶将自身RNA模板合成的DNA重复序列加在后随链亲链的3’端，然后再以延长了的亲链为模板，由DNA聚合酶合成子链。即使如此，结果其末端同样也是不完整的。换句话说，染色体每复制一次，也就是细胞每分裂一次，染色体的端粒重复序列就要丢失一些，长度也就要缩短一些。

端粒重复序列的长度可能起著一种分子钟(molecularclock)的作用。不同年龄的人的体细胞的寿命明显不同，其端粒的长度也不相同。是随着年龄的增长而缩短。来自新生儿的体细胞可在体外传代培养80—90代，来自70岁老人的体细胞在体外只能传代培养20～30代，而且端粒的重复序列长度也缩短很多。实验证明，体细胞里没有端粒酶的活性，所以体细胞每分裂一次，端粒也就缩短一些。随着细胞不断地进行分裂，端粒的长度将越来越短，当达到一个临界长度时，细胞染色体会失去稳定性，使细胞不能再进行分裂而进入凋亡(apoptosis)。端粒的长度决定了细胞的寿命，因此可用丢失的端粒重复序列的长度来推测细胞有丝分裂的次数，所以端粒被称为分子钟或有丝分裂钟(mitotic clock)。

端粒除了与染色体的个体性和稳定性密切相关外，还涉及到细胞的寿限、衰老和死亡，以及对肿瘤的发病和治疗都有重大作用。生殖细胞不同于体细胞，人生殖细胞染色体的末端比体细胞染色体的末端长出几千个堿基对，这是因为在生殖细胞里有端粒酶的活性，但包括干细胞(stemcell)在内的所有体细胞里都未测得端粒酶的活性。惟一的例外是来源于体细胞的恶性肿瘤细胞却又重新出现了端粒酶活性，发挥其合成端粒重复序列的功能，以补偿正常的端粒序列丢失，使端粒的重复序列不会达到导致细胞死亡的临界长度，从而获得细胞的“永生性”(immortality)。这样，恶性肿瘤细胞在体内或体外都能无限制地分裂增殖。

四膜虫（Tetrahymena）的I型内含子（Group I intron）是最早发现的具有催化作用的RNA，并于1986年被证实为真正的酶。

I型内含子能自我剪接，机制如下：

①底物结构：具间隔序列，且能形成环状结构；

②辅助因子：G(5/-GMP)与Mg2+，前者直接参与剪接反应，后者可能参与维持催化活性构象；

③作用机制：通过转磷酸酯反应；

I型内含子就具有酶的功能，是RNA类酶。叫核酶，ribozyme至于为什么RNA也能具有催化功能，那就是很深刻的问题。就像问你蛋白质为什么能催化，你也答不上一样。

衣藻属于浮游植物,绿藻门

浮游动物zooplankton,是指漂浮的或游泳能力很弱的小型动物

浮游动物的种类极多,从低等的微小原生动物、腔肠动物、栉水母、轮虫、甲壳动物、腹足动物等,到高等的尾索动物,几乎每一类都有永久性的代表,其中以种类繁多、数量极大、分布又广的桡足类最为突出此外,也包括阶段性浮游动物,如底栖动物的浮游幼虫和游泳动物（如鱼类）的幼仔、稚鱼等浮游动物在水层中的分布也较广无论是在淡水,还是在海水的浅层和深层,都有典型的代表

浮游动物是经济水产动物；是中上层水域中鱼类和其他经济动物的重要饵料,对渔业的发展具有重要意义由于很多种浮游动物的分布与气候有关,因此,也可用作暖流、寒流的指示动物许多种浮游动物是鱼、贝类的重要饵料来源,有的种类如毛虾、海蜇可作为人的食物此外,还有不少种类可作为水污染的指示生物如在富营养化水体中,裸腹溞（Moina）、剑水蚤（Cyclops）、臂尾轮虫（Brachionus）等种类一般形式优势种群有些种类,如梨形四膜虫（Tetrahymena phriformis）、大型溞（Daphnia magna）等在毒性毒理试验中用来作为实验动物

23 水污染生物监测的方法

231利用指示生物在水体中的出现或消失、数量的多少来监测水质

许木启 [3]利用白洋淀水体中浮游动物群落优势种的变化来判断水体的污染程度和自净程度。结果表明，府河—白洋淀水体从上游至下游，浮游动物耐污种类逐渐减少，广布型种类逐渐出现较多，在下游许多正常水体出现的种类均有分布；同时，原生动物由上游的鞭毛虫至中游出现纤毛虫，在下游则发现很多一般分布在清洁型水体的种类，表明府河—白洋淀水体从上游到下游水体的污染程度不断减轻，水体具有明显而稳定的自净功能。

232利用水生生物群落结构的变化来监测水质

蒋昭凤等 [4]用底栖动物的变化趋势评价湘江水质污染，结果发现湘江干流底栖大型无脊椎动物种类数和物种的多样性指数从上游到下游呈减少趋势，表明毒杀生物的有毒物质对湘江的污染较为明显，并且可根据湘江干流各断面种类数的减少程度判断出各断面的污染程度；同时也观察到，随着时间的推移，底栖大型无脊椎动物种类数和多样性指数也呈减少趋势，说明这种有毒污染仍在发展之中。

233水污染的生物测试

水污染的生物测试是利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染状况。

Belding [5]根据鱼的呼吸变化指示有毒环境，在有污染物存在的情况下，鱼腮呼吸加快且无规律。德国[6]从1977年开始研究利用鱼的正趋流性开展生物监测，在下游设强光区或适度电击，控制健康鱼向下游的活动；或间歇性提高水流速度，迫使鱼反应。如果鱼不能维持在上游的位置，则表明污染产生了危害。

3 国内外水污染生物监测的研究进展

近几年来，应用生物监测环境技术的研究广泛开展，出现了一些新方法、新材料和新的监测物，提高了生物检测的灵敏性。

31 水污染生物监测及其检测的新方法

311 利用遗传毒理学监测水体污染

环境污染物质对人类及其它生物危害最为严重的问题是对细胞遗传物质造成的损害。因此，近20年来环境生物检测技术的研究和应用，尤其是细胞微核技术和四分体微核技术在动植物以及人类染色体受外界理化因子的损伤等方面的分析、诱变剂的测试筛选，以及应用于环境监测的研究得到了广泛的发展[7]。微核在生物细胞内的形成途径以及与染色体畸变的相关性早已被人们所认识，用微核测定法替代染色体畸变方法来监测环境污染物对生物遗传物质的损伤具有简便、快速、灵敏度高等优点。最常用的蚕豆根尖细胞微核试验技术是一种以染色体损伤及纺锤丝毒性等为测试终点的植物微核监测方法，该技术自1982年由Degrassi等建立以来，在环境诱变和致癌因子的检测研究中，特别是在水质污染和致突变剂检测研究中得到了广泛应用[8]。

吴甘霖 [9]在利用水花生根尖微核技术（MCN）对马鞍山市废水的监测研究中，发现利用水花生根尖微核可作为监测水体污染的新材料。其根尖细胞微核率 MCN（‰），不仅可用于监测不同废水的污染程度，而且由于该植物长期生活在污染水体中，还能反映不同废水的污染物富集程度及现状。当外界环境中存在一定浓度的致突变物时，可使细胞发生损伤，从而使微核细胞率上升。另外微核细胞率的上升，提示环境中存在有致突变物，即受试水样中含有能打断DNA分子的诱变剂或能打断纺锤丝的纺锤丝毒剂，从而表现出遗传毒性。

单细胞凝胶电泳（SCGE），即彗星试验也是一种通过检测DNA链损伤来判别遗传毒性的技术。它比微核试验更有益，因为环境中的遗传毒物浓度一般很低，而彗星试验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。同时，这种技术只需要少量细胞。目前它已经被用于检测哺乳动物、蚯蚓、一些高等植物、鱼类、两栖动物以及海洋无脊椎动物的细胞[11]。Mirjana Pavlica等 [10]用暴露在五氯苯酚（PCP）中的淡水蚌类（Dreissena polymorpha Pallas）血细胞进行彗星试验，观察血细胞中DNA损伤程度。在进行实验室实验和原位实验后，发现高浓度的PCP(80g/L)会引起血细胞中DNA断裂，表明用彗星试验检测DNA损伤能够监测水体中PCP污染。

SOS显色法[12]是国内在20世纪80年代发展起来的一种遗传毒性检测新方法，具有快速、准确、灵敏及假阳性率低的特点，被广泛用于遗传毒性的测定中。其原理是：在DNA分子受到外因引起的大范围损伤、其复制又受到抑制的情况下，会导致一种容易发生错误的修复。所有这些在遗传毒物处理后大肠杆菌中出现的一系列反应统称为SOS应答。SOS显色法有许多优于Ames的特点：（1）快速、简便，测定过程只需7h；（2）灵敏，被处理的细胞全产生或不产生SOS反应，用分光光度法测定β-ONPG(邻硝基苯β-D-半乳糖苷)分解产物非常灵敏；（3）准确，SOS显色法测定的是遗传毒物对细胞原发的直接反应，其阳性结果十分可信，而Ames试验的假阳性率较高。因此，SOS显色法已引起人们的密切关注，成为一种值得推广的水质监测评价方法。

312 微型生物监测（PFU法）

以前生物监测的研究重点多放在分类和结构方面。然而，生物系统的结构变化并非总与生物系统的其它变化相关联，仅以某个种类、某个种群构成的生物反应系统的变化来评价一个水生生态系统，其偏差较大。因此，为掌握水生生态系统对环境污染的完整反应，要求我们在生物系统（细胞、组织、个体、种群、群落、生态系统）中选择超出单一种类水平即群落或生态系统来作为生物监测的生物反应系统，并对该系统的结构和功能变化均进行研究。美国Cains创建了用聚氨酯泡沫塑料块（简写为PFU）测定微型生物群落的结构和功能参数，进而进行监测预报的新方法。中科院水生所沈韫芬研究员把PFU应用到生物监测中，并使PFU法成为我国生物监测的一种标准方法[13]。PFU法适用于原生动物、藻类对水质的检测。此方法可以鉴别水体是有机污染还是毒性污染。

尹福祥、杨立辉 [13]应用PFU法对某印染厂印染废水处理设施的净化效能进行了监测。结果表明，微型生物群落的结构参数和功能参数均较好地反映了印染废水的净化效果。与经典的生物监测方法相比，PFU法由单一监测结构(或功能 )参数转变为结构参数（种类组成、优势种）和功能参数（群集参数）同时监测，提高了生物监测的信息捕获能力，并使监测信息能更完整、准确、精密地评价环境状况。PFU法可快速、准确地监测水质的突变，通过1d的试验结果就能预测、预报受纳系统环境质量的状态及其变化过程。某样点的群集曲线突然大幅下降，说明该点的水质发生了突变，应调查有无事故性排放。

由于潮汐流和环流的影响，PFU法用于海水水质监测的有效性不如在淡水中监测。Kuidong Xu等 [14]用一种改良的PFU法—瓶装聚氨酯泡沫塑料块（BPFU）法进行海水的生物监测。BPFU法是将2块聚氨酯泡沫塑料块装入1个圆柱形塑料瓶中，塑料瓶有4道裂缝，用于保护聚氨酯泡沫塑料块不受粗糙条件的干扰，同时便于微生物群落进入聚氨酯泡沫塑料块，达到平衡。BPFU法比传统的PFU法在海水生物监测中的优越性体现在：⑴取样稳定；⑵海水生物评价结构和功能的精确性；⑶定量比较时可以保持水体积的稳定性。实验结果表明，用BPFU法进行海水生物监测比PFU法更加有效。通过BPFU法聚集的物种数量随污染物强度的增大而减少，减少程度大于PFU法。由BPFU法计算出的多样性指数同样也高于PFU法。

313 应用分子生态毒理学方法监测水体污染

随着社会的进步，生物技术也在不断地发展，在此基础上逐步形成了分子生态毒理学。分子生态毒理学采用现代分子生物学方法与技术，研究污染物及代谢产物与细胞内大分子，包括蛋白质、核酸、酶的相互作用，找出作用的靶位或靶分子，并揭示其作用机理，从而能对在个体、种群、群落或生态系统水平上的影响作出预报，具有很大的预测价值。目前最常用的是把腺三磷酶作为生物学标志，方法是测定体内三磷酸腺苷酶ATPase的活性，并以其活性强弱作为多种污染物胁迫的指标[15]。

Petrovi S等 [16]通过测定贻贝 (Mytilus galloprovincialis Lam)消化腺上皮细胞中的溶酶体（Lysosome）膜的稳定性和金属硫蛋白（Metallothionein,MT）的含量来监测水体中有毒物质。贻贝消化腺上皮细胞中的溶酶体是有毒物质积累滞留的主要场所，同时它在排泄有毒污染物质的过程中起着关键作用。溶酶体中的有毒物质会削弱膜的稳定性，减少产生水解作用的溶酶体酶向细胞溶质中扩散。MT是动物对周围环境中过量金属的一种防御机制，能够阻止有毒物质及其代谢产物产生的细胞毒素对有机体产生影响。一般来说，监测MT的方法比监测组织中金属总量更可行，因为这种方法可以将胞内具有显著毒理效应的金属结合片段与不可利用的金属络合物区分出来[17]。因此贻贝消化腺上皮细胞中的溶酶体膜的稳定性和金属硫蛋白的含量的测定可以作为水体环境有毒物质变化的早期警报。

近年来，生物体内胆碱脂酶活性的测定已经成为海水和淡水水体污染的一种监测工具。由于环境中的有机磷农药和氨基甲酸盐杀虫剂与底物乙酰胆碱的分子形状类似，能与酶酯基的活性中心发生不可逆的键合从而抑制酶活性，因此它可以用来评价有机体在杀虫剂和毒害神经的污染物质（如重金属）中的暴露程度。Mohamed Dellali等 [18]用蛤和贻贝监测泻湖的水体污染，结果表明，蛤和贻贝体内乙酰胆碱脂酶的活性能很好地反映当地水体的污染状况。

314水生生物环境诊断技术

用常规的毒性测试可以检测污染严重水体的毒性，但对于低毒性水体，用常规的毒性试验难以检测到其毒性水平。为此，日本NUS株式会社开发出一种低毒性水体的新的生物测试方法——水生生物环境诊断技术（Aquatic Organisms Environment Diagnostics，简称AOD）[19]。该方法采用冷冻浓缩技术 ,将低毒性水体样品中的部分水分脱出，使水样中的毒理成分合理地浓缩，再进行生物毒性试验，进而判定水体的毒性水平。AOD技术所选用的测试鱼要求体积较小，同时要满足测试生物所必备的高敏感性、取材方便、便于饲养或繁殖、品系纯等条件。目前，AOD主要采用红鳍鱼（Talbnubes）和淡水虾（Pcompressa）作测试生物。

315 幼虫变态实验

近年来，对于以海洋无脊椎动物的胚胎和幼虫期毒性实验研究较为广泛。然而研究表明[20]，浮游幼虫变态比现有的生物个体水平的毒性实验指标更为敏感。海洋底栖无脊椎动物幼虫的变态期是其生活史的关键阶段，变态期的幼体对污染物的敏感性要高于其它阶段，胚胎发生和幼虫发育不受影响的污染物浓度会阻碍其变态。幼虫的变态过程易于观察（受到外来信息物质的调控），易受环境污染的干扰。与死亡率比较，能否在附着基表面顺利变态是监测污染物毒性的更敏感的指标。

316 四膜虫 (Tetrahymena pyriformis) 刺泡发射法

四膜虫是一种淡水单细胞生物，生长速度快、繁殖量大，实验室内易无菌培养和控制，适用于水质监测。以前应用四膜虫监测水质都是通过测试四膜虫的生长曲线和繁殖曲线等生物学特征来反映水质变化情况。然而四膜虫个体差异小、对化学毒物敏感，在诱变实验中无须添加活化酶、自发突变率低，也是一种理想的致突变试验材料。四膜虫的刺泡是附着在细胞质表面，由基粒分化而来，垂直胞质排列，当外界环境因子触发可诱导刺泡发射，形成显微镜下可见的分泌泡。吴伟等[21]用阳性致突变物诱发四膜虫刺泡发射，试验结果表明，四膜虫对致突变阳性物质相当敏感，且有剂量效应关系。因此利用四膜虫刺泡发射是评价水体中化学物质致突变的一种快速、简便、良好的方法。

32 水污染生物监测的新材料和新的监测物

近年来，水污染生物监测不仅出现了一些新的方法，同时也出现了一些新材料、新的监测物。席玉英、韩凤英等 [22]对长叶异痣蟌〔Ischnura elegans（VanderLinden）〕体内汞含量及与水体汞污染的关系进行了研究，结果发现，长叶异痣蟌对水体汞具有富集性，富集倍数高达5448～7600倍，可作为水体汞污染的监测生物。其中雌性长叶异痣蟌体内汞含量样体（同时、同地采集的）间存在很大差异，因此可作为水体汞污染的定性研究，不宜作为水体汞污染的定量监测。而雄性长叶异痣蟌体内汞含量样本间的差异则不显著，并且雄性长叶异痣蟌体内汞含量随水体汞含量的增加及时间的延长而增加，可作为水体汞污染的指示生物。

Flammarion P等 [23]通过测定白鲑(Leuciscus cephalus)体内胆碱脂酶的活性来监测水体污染，发现白鲑可以成为很好的水体污染监测工具。而Khan R A等 [24]用比目鱼(Pleuronectes americanus)体内乙氧基-异吩恶唑酮-脱乙基酶（EthoxyresorufinO－Deethylase，EROD）活性的强弱来判断纽芬兰岛水体的污染状况，发现它也有很好的监测效果。

Kahle J等[25]测定一种桡脚类动物Metridia gerlachei对威德尔海中痕量金属的生物累积率，发现Metridia gerlachei对Co、Cu、Ni、 Pb 、 Zn等金属元素的敏感度较高，可以作为海水中金属元素的监测物。而Rainbow P S 等[26]利用藤壶监测香港海域中痕量金属，同样也得到很好的效果。

刘绮 [27]进行了一种新的生物监测方法研究。他以孵化好的Ⅱ～Ⅲ期卤虫为受试生物，实验研究了K2Cr2O7、HgCl2、As2O3、KCN、六六六、苯酚、苯7种物质对卤虫的中毒阈值和 LC50 -24h（Leathal Concentration 50-24h, 24 h半致死浓度）的测定，阐明了该方法具有操作简便、快速、覆盖面宽、技术易掌握、所需设备不复杂等特点。此生物监测方法在环境科学与工程中的研究和应用可进一步扩展到对入江、河、海的工业排放物的检毒、农药残留量分析、真菌毒素分析等广泛领域。

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