深海細菌Shewanella piezotolerans WP3鐵離子調控因子—Fur調控蛋白功能研究.pdf

1、深海是一個特殊的生態(tài)環(huán)境，這里不僅低溫、高壓、黑暗、寡營養(yǎng)，而且氧氣濃度也較低。深海特殊的生態(tài)環(huán)境造就了生活在該環(huán)境下生物的特異生理代謝特性，研究該生態(tài)系統(tǒng)下的微生物的生理特性，對于了解極端微生物的生活特性，極端微生物資源的開發(fā)利用具有重要的意義。 本文所研究的細菌Shewanella piezotolerans WP3為一株分離自西太平洋1914米深海沉積物中的一株革蘭氏陰性菌。WP3為一桿狀的兼性厭氧菌，屬于r-proteo

2、bacterium，具有55個編碼細胞色素C的基因，比Shewanella oneidensisMR-1(42個編碼細胞色素C基因)多13個。在有氧培養(yǎng)條件下，WP3的菌體呈現(xiàn)淡紫色，同時逆轉錄PCR實驗的結果也表明這些細胞色素C在有氧條件下也具有一定程度的轉錄。這個結果表明即使在有氧條件下，WP3的厭氧呼吸途徑也在起作用并為其提供生命活動所必須的能量來源。這些細胞色素C很可能對WP3適應低氧氣濃度這一深海特異的生長環(huán)境因子具有重要的生

3、理學意義。如何維持好細胞內的Fe離子濃度的平衡對于所有的細菌均具有重要的生理意義：一方面，生命活動離不開鐵離子。鐵離子是一些功能蛋白的結構組成成分，如異檸檬酸脫氫酶亞基中的Fe-S結構域，它還是細胞內重要代謝的催化因子如DNA代謝，TCA循環(huán)，糖酵解等都離不開鐵離子的參與；另一方面，鐵離子尤其是還原態(tài)的二價鐵離子濃度過高容易通過Feton Reaction導致細胞的氧化損傷。WP3的特意的生理特性及其所生活的環(huán)境決定了研究WP3中Fur

4、如何調控細胞內鐵離子水平更具重要意義。一方面，WP3相對于普通細菌，需要更多的鐵離子。WP3所具有的特異的厭氧呼吸途徑上的大量細胞色素C的成熟需要大量的鐵離子的參與，不僅如此WP3能夠以Fe3+作為最終電子受體進行厭氧呼吸。另一方面，WP3所處的原生活環(huán)境中可直接利用的鐵離子濃度低，鐵離子一般以固態(tài)化合物形式大量存在于深海沉積物中而非海水中。與鐵離子的存在形式相反，硫酸鹽在深海環(huán)境中的濃度高。所以深海是一個低可溶性鐵離子高硫酸鹽的特異生

5、理環(huán)境。Fur是存在于大部分細菌中的調控細胞內Fe離子濃度平衡的一個調控因子，具有多樣的調控方式對目的基因的轉錄進行調控。同樣在WP3基因組中，我們也找到了一個fur基因。為了研究WP3的鐵離子平衡調控，我們構建了一株fur基因缺失突變的WP3，簡稱Fur。通過基因芯片研究我們發(fā)現(xiàn)在WP3中該基因具有重要生理作用，該基因的刪除導致了大量基因的差異表達。Fur的基因芯片結果與低Fe離子濃度培養(yǎng)的基因芯片結果對比發(fā)現(xiàn)：雖然這兩個芯片實驗的數(shù)

6、據(jù)中差異表達的基因中與鐵離子轉運相關的基因表達方向具有較好的一致性，證明Fur在WP3中主要起調控細胞內鐵離子平衡的作用。但是還有大量的基因在這兩組數(shù)據(jù)中表達的方向相反，表明fur的缺失突變與缺鐵培養(yǎng)所造成WP3的生理狀態(tài)具有較大的差異。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)很可能是細胞內Fe2+濃度的不一樣造成。與其他菌株的Fur調控因子缺失突變結果相似，H2O2的耐受性實驗中Fur存活率大大低于野生WP3，表明了Fur細胞內過高Fe2+濃度導致更加劇烈

7、的FetonReaction反應進而殺傷細胞。通過檢測細胞內的Fe2+濃度，我們發(fā)現(xiàn)fur的缺失突變的確導致細胞內Fe2+水平的上升。 本研究通過檢測fur突變株的厭氧代謝生長狀況發(fā)現(xiàn)fur的刪除突變造成厭氧呼吸速率受到影響。這是首次發(fā)現(xiàn)fur的刪除突變會影響到希瓦氏屬細菌的厭氧呼吸速率。通過基因芯片數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)這很可能是由于血紅素合成途徑，及細胞色素C成熟途徑上的基因下調。我們比較了fur突變株與野生WP3厭氧條件下的細胞