銅綠微囊藻氣囊蛋白GvpF的結構與功能研究.pdf

1、銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa PCC7806是一種單細胞的浮游藍藻，它可在淡水水體表面季節(jié)性聚集暴發(fā)水華。例如，我國的太湖和巢湖近年常暴發(fā)藍藻水華，而銅綠微囊藻就是形成水華的最優(yōu)勢藻種。銅綠微囊藻細胞內(nèi)能大量產(chǎn)生一種亞細胞器，叫做氣囊。氣囊是一種中空、充滿氣體的惰性結構，它完全僅由蛋白質(zhì)組成。氣囊的作用就是可以通過降低藻細胞的密度為其提供浮力，這樣藍藻可以自行調(diào)節(jié)在自然水體中的垂直位置，它們可以漂浮到水體中氧氣

2、和光照都適宜的位置以利于自身的生長和后續(xù)的生境殖民化。所以氣囊的存在是銅綠微囊藻能成為優(yōu)勢藻種的重要原因之一。研究氣囊的特性對治理藍藻水華暴發(fā)有一定的理論指導意義。
　　目前研究已證實氣囊的合成涉及8-14個不同的氣囊蛋白Gvp(gas vesicleproteins)，這些Gvp蛋白是由gvp基因簇編碼的，而gvp基因簇被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于產(chǎn)氣囊的細菌和古細菌中?，F(xiàn)已鑒定銅綠微囊藻M.aeruginosa PCC7806氣囊合成基因

3、簇大小是8.7kb，包含有12個gvp基因。其中的10個基因分別組成兩個操縱子，它們是gvpAⅠAⅡAⅢCNJX和gvpKFG。剩下的兩個基因gvpV和gvpW是獨自表達的。GvpA和GvpC被廣泛研究，它們是氣囊的主要結構組成蛋白。分子量較小(7-8 kDa)且疏水很強的蛋白GvpA構成氣囊壁上的棱紋結構，它是氣囊的最主要結構蛋白。而分子量較大的、較親水的次要結構組分蛋白GvpC則是位于氣囊壁的最外表面，通過與GvpA相互作用來穩(wěn)定氣

4、囊的結構。除了gvpA和gvpC編碼的兩個蛋白GvpA和GvpC是氣囊的結構組成蛋白外，藍藻中其它的gvp基因和Gvp蛋白也可能涉及參與氣囊的合成。
　　本研究中，我們通過單波長散射法解析了銅綠微囊藻M.aeruginosa PCC7806中氣囊基因gvpF編碼的氣囊蛋白GvpF的晶體結構，分辨率是2.7(A)。這是第一個被解析的氣囊蛋白的三維立體結構。分析GvpF的三維結構可得知，GvpF是由結構上完全不同的兩個結構域組成，分別

5、命名為N端結構域和C端結構域。這兩個結構域的整體折疊類型都屬于α+β家族。其中，將N端結構域的結構與α+β家族的其它蛋白結構進行比較，可看出N端結構域的結構折疊模式與其它蛋白都不一樣，它采取的是一個新的折疊方式。而C端結構域含有一個改變了的鐵氧還蛋白折疊的結構類型，與正常的鐵氧還蛋白折疊的結構相比，C端結構域一個明顯的變化就是多了一個由三股連續(xù)螺旋構成的一個延伸結構。N端結構域和C端結構域彼此相對排列，GvpF的C末端的“尾巴”結構通過

6、分別與N、C端結構域相互作用來穩(wěn)定GvpF的整體結構。同時，我們將GvpF的整體結構做Dali搜索，與PDB中的其它結構做結構比對，并沒有發(fā)現(xiàn)同源結構。由這幾個方面，我們認為GvpF的三維結構是一個新穎的結構。
　　同時，我們純化出銅綠微囊藻M.aeruginosa PCC7806的氣囊，負染電鏡觀察氣囊的結構均呈現(xiàn)圓柱體狀。氣囊的直徑都是相似的，大概120 nm，長度從500 nm到1500nm不等。氣囊壁的外表面也可以觀察到等

7、距相間排列的棱紋結構。SDS-PAGE凝膠電泳和質(zhì)譜都只檢測到純化的氣囊中的結構蛋白GvpC的存在。而蛋白質(zhì)印跡法和免疫膠體金實驗以及基于免疫膠體金的斷層成像技術均證明GvpF是氣囊的一個結構組成蛋白，而且是定位在氣囊壁的內(nèi)表面即朝向氣體的一面。
　　為了獲取其它Gvp蛋白的結構和功能信息，我們也一一表達純化了其它Gvp蛋白。除了GvpA是包涵體表達外，其它Gvp蛋白均有上清表達。通過純化結晶摸索，我們獲得了GvpC和GvpW的晶