發(fā)布時(shí)間：2017-12-13 16:31

  本文關(guān)鍵詞：藍(lán)細(xì)菌異形胞發(fā)育關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子HetR的結(jié)構(gòu)和失活機(jī)制研究

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【摘要】：藍(lán)細(xì)菌,也稱作藍(lán)綠藻,在地球上生存超過30億年,是一大類革蘭氏陰性原核微生物,能夠通過其營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用。在進(jìn)化的過程中,藍(lán)細(xì)菌是大氣層最主要的氧氣供應(yīng)源,并導(dǎo)致了“大氧化事件”的發(fā)生。另外,藍(lán)細(xì)菌與綠色植物細(xì)胞器葉綠體的光合作用具有相似的特征,所以藍(lán)細(xì)菌被認(rèn)為很有可能是葉綠體進(jìn)化上的祖先。生物固氮的主要作用是將大氣中的氮?dú)馔ㄟ^依賴ATP的還原反應(yīng),在固氮酶系統(tǒng)的催化下還原為氨。很多原核生物都能夠進(jìn)行生物固氮,例如巴士梭菌、圓褐固氮菌和一些絲狀藍(lán)細(xì)菌。除了營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞外,藍(lán)細(xì)菌還能夠分化出一些特殊的細(xì)胞類型,包括能進(jìn)行固氮的異形胞、類似芽孢的厚壁孢子和能夠運(yùn)動(dòng)的藻殖段細(xì)胞。當(dāng)化合態(tài)氮源缺乏的時(shí)候,一些絲狀藍(lán)細(xì)菌,如模式藻株魚腥藍(lán)細(xì)菌,其中有大約5-10%的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞就會(huì)分化成異形胞,用來固定大氣中的氮?dú)�。一般每�?0-20個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞分化出一個(gè)異形胞,這種有規(guī)律的異形胞在藻絲上的一維分布就稱作異形胞模式。在通常條件下,異形胞分化的全過程大約需要20-24小時(shí),異形胞和相鄰的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞很容易從形態(tài)上進(jìn)行區(qū)分,因?yàn)楫愋伟某叽绫葼I(yíng)養(yǎng)細(xì)胞更大,并具有兩端的頸狀結(jié)構(gòu)和一個(gè)厚的外包被層。這個(gè)異形胞特有的外包被層可分為兩層：一個(gè)減少氧氣透過的糖脂層,和一個(gè)用于保護(hù)脆弱糖脂層的多糖層。成熟的異形胞不具有進(jìn)行光合放氧的光系統(tǒng)II,此外,異形胞中的呼吸速率也提高了,能夠進(jìn)一步降低胞內(nèi)的氧濃度。異形胞內(nèi)形成微氧環(huán)境后,固氮作用開始,藻絲也恢復(fù)正常的生長(zhǎng)。藍(lán)細(xì)菌的三羧酸循環(huán)并不完整,缺少α-酮戊二酸脫氫酶,所以化合態(tài)氮源被剝奪后會(huì)導(dǎo)致α-酮戊二酸的積累,結(jié)果會(huì)激活全局氮調(diào)節(jié)子NtcA,進(jìn)而使HetR的表達(dá)量上調(diào),起始異形胞的分化。HetR一直以來就被認(rèn)為是異形胞發(fā)育和模式形成的核心調(diào)節(jié)因子。hetR的缺失突變會(huì)導(dǎo)致魚腥藍(lán)細(xì)菌不能起始異形胞的分化,而各種hetR的點(diǎn)突變會(huì)造成異形胞不分化、分化比例減少或增加等不同表現(xiàn)。實(shí)際上,HetR是作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,通過起始信號(hào)級(jí)聯(lián)放大后激活一系列下游基因的表達(dá)。HetR二體特異性結(jié)合受調(diào)控基因啟動(dòng)子區(qū)的DNA序列,包括hetP、hetZ、hetR、patS、pknE、hep A等基因。抑制性五肽RGSGR (PatS5)參與異形胞模式形成,該五肽序列先后在PatS的C末端和HetN中被發(fā)現(xiàn),PatS和HetN都是異形胞分化的負(fù)調(diào)控因子。PatS5能夠直接結(jié)合到HetR上并抑制其DNA結(jié)合活性。特別的是,相比于PatS5,HetR對(duì)六肽ERGSGR (PatS6)具有更高的親和力。HetR和這種可擴(kuò)散的抑制肽間的相互作用網(wǎng)絡(luò)符合發(fā)育生物學(xué)圖靈模型中成形素的基本條件。然而迄今為止,該抑制肽在生理?xiàng)l件下真正的活性狀態(tài)還不清楚。我們對(duì)一些參與異形胞分化的關(guān)鍵蛋白進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和功能的研究。最后,我們解析了魚腥藍(lán)細(xì)菌HetR結(jié)合DNA,以及HetR的Hood結(jié)構(gòu)域(HetRHood)結(jié)合PatS6這兩個(gè)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),其衍射分辨率分別為2.80和2.10 A。在HetR-DNA復(fù)合物中,交錯(cuò)形成的HetR二體包含兩個(gè)新穎的DNA結(jié)合模體,每個(gè)DNA結(jié)合模體由一個(gè)亞基DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域中經(jīng)典的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)和一段來自另一個(gè)亞基Flap結(jié)構(gòu)域的輔助α螺旋組成。在PatS6-HetRHood復(fù)合物中,兩個(gè)PatS6分別結(jié)合在HetRHood兩個(gè)亞基的側(cè)面溝槽中。進(jìn)一步的研究表明HetR結(jié)合PatS6后會(huì)引發(fā)其Flap結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化,使得輔助螺旋脫離DNA大溝,進(jìn)而導(dǎo)致HetR從DNA上釋放。此外,我們對(duì)異形胞分化相關(guān)蛋白HetN和HetF進(jìn)行了初步的探索。我們純化了HetN的重組蛋白但沒有得到晶體；我們分別表達(dá)和純化了HetF的N端和C端結(jié)構(gòu)域,但只得到了HetF-C結(jié)構(gòu)域的晶體,未來還需繼續(xù)優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：Q78

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本文編號(hào)：1285827