深海希瓦氏菌環境脅迫反應起始信號分子及其遺傳調控

《深海希瓦氏菌環境脅迫反應起始信號分子及其遺傳調控》是依託上海交通大學，由徐俊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：深海希瓦氏菌環境脅迫反應起始信號分子及其遺傳調控
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐俊
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

常規的實驗室培養條件，對源自深海的適應寡營養、嗜冷、耐壓的Shewanella piezotolerans WP3菌株可能是高度脅迫的環境。前期研究表明WP3菌株能合成較高水平的信號分子ppGpp，暗示了該菌株中存在新穎的嚴謹反應機制。本研究擬以深海嗜冷耐壓菌WP3為材料，首次從其環境適應性和嚴謹反應的聯繫入手，研究深海微生物中ppGpp的合成與分解規律；研究WP3在壓力、溫度等環境脅迫條件下碳源利用、多不飽和脂肪酸合成、鐵離子代謝等與適應性相關的基因受ppGpp調控的差異表達，建立受ppGpp調控的代謝網路圖；探討深海細菌如何感知壓力、溫度、營養等外界環境變化、繼而觸發一系列應激適應性反應的機理。

結題摘要

本課題對分離自深海沉積物的Shewanella piezotolerans WP3菌株中與環境脅迫反應相關的信號分子及其遺傳調控進行了研究。在常規的實驗室條件下，WP3菌株的分批次培養過程中能兩次合成出較高水平的信號分子ppGpp，暗示該菌株中存在新穎的嚴謹反應機制；對WP3基因組進行生物信息學分析，發現其中存在的負責ppGpp合成與降解（relA、spoT）及其調控相關（dksA、rpoS等）基因。通過基因中斷構建了relA基因中斷菌株、覆蓋spoT不同結構域的系列缺失突變菌株及relA spoT雙基因突變株；在胺基酸耗盡的營養脅迫條件下，檢測了信號分子ppGpp，結果顯示ΔrelA突變菌株喪失了ppGpp合成能力，而ΔspoT3突變株中ppGpp累計甚至超過野生型的水平，這可能與ΔspoT3突變株spoT基因C端缺失了負責調節ppGpp合成及降解的功能平衡的ACT結構域有關。WP3及其突變菌株在有氧和營養豐富的培養條件下生長速率不存在明顯差別，在以延胡索酸作為厭氧呼吸的電子受體條件下，ΔspoT3菌株生長較差。該結果暗示spoT基因對WP3菌株的厭氧生長過程的基因調控有重要意義。在20℃、20MPa條件下WP3及其relA、spoT基因突變菌株在生長無明顯差異，在壓力條件下野生型WP3菌株應激產生大量的ppGpp應對該環境脅迫。利用基因晶片發現WP3 野生菌株與ΔrelA突變株中與信號分子ppGpp調控相關的差異表達基因占到全基因組的21.44%，其中上調基因534個和下調基因526個。在多種環境脅迫條件下，SpoT負責合成ppGpp啟動相應的轉錄調控,而SpoT的活性與鐵離子濃度密切相關。可推測，SpoT負責合成ppGpp的活性增高與通過敲除維持鐵穩態的關鍵負調控蛋白都可以增強鐵離子吸收相關基因的表達。構建了鐵穩態調節蛋白Fur突變株，並對其進行RNA-seq測序分析，結果顯示敲除Fur的突變株中relA基因轉錄上調了約13倍，而spoT基因轉錄上調了3.38倍。此結果表明為應對fur基因突變，WP3同時需要RelA和SpoT兩個蛋白用於合成信號分子ppGpp。本研究揭示了WP3中胺基酸不足、鐵限制等多重脅迫效應可通過增加ppGpp信號合成進而啟動多效應的轉錄調控得到消除，基於以上關鍵節點構築的深海希瓦氏菌信號轉導模型有助於解讀其環境適應性機制。