Myxococcus xanthus DK1622中NA+-H+逆向轉運蛋白及其轉錄調控研究.pdf

作為主要的鈉離子(Na+)外排系統(tǒng)，鈉離子/質子逆向轉運蛋白(Na+/H+antiporters，NHAs)也是細菌中對Na+脅迫適應性應答的主要系統(tǒng)。NHAs是一種次級鈉泵系統(tǒng)，于1974年在大腸桿菌中首次報道，廣泛分布于細菌、古細菌、真菌、植物、動物、哺乳動物乃至人類細胞內。NHAs位于細胞質膜上，是一種跨膜蛋白，它可以利用初級質子泵，如ATPase(F0F1)和呼吸鏈產生的跨膜質子電化學梯度為動力，向膜外轉運Na+，同時將H+轉運回膜內，從而維持胞內相對較低的Na+濃度。
　　 目前結構和功能研究最為深入的NHAs是大腸桿菌Ec-NhaA，也是大腸桿菌等腸道細菌針對Na+及Na+存在條件下堿性pH產生適應性應答的主要系統(tǒng)。NhaA蛋白家族存在于許多細菌和古細菌中，其主要特點是活性具有高度pH依賴性。Ec-nhaA基因的轉錄受其下游基因Ec-nhaR的調控，后者屬于LysR蛋白家族。Ec-NhaR能與Ec-nhaA基因的上游DNA序列結合，從而抑制Ec-nhaA基因的轉錄。但當Na+存在時，與Na+結合的Ec-NhaR發(fā)生了蛋白構象的改變，影響了Ec-NhaR與兩個關鍵位點G-60和G-92的結合，從而促進Ec-nhaA基因的轉錄。因此，Ec-NhaR既是Na+信號的感受器，又是Na+信號的傳導器，從而高效地調控Ec-nhaA基因的表達。
　　 粘細菌(Myxobacteria)是一類革蘭氏陰性滑動細菌，具有復雜的多細胞行為，如生長的細胞密度依賴性，群體捕食，子實體發(fā)育以及在不良環(huán)境中分化形成粘孢子。課題組前期在Myxococcus xanthus DK1622的基因組中發(fā)現(xiàn)了2個預測為Na+/H+ antiporter NhaA的基因MXAN_3898和MXAN_6055，它們的敲除導致突變株在Na+條件下的生長顯著下降，提示其可能在該菌株的鹽脅迫應答中發(fā)揮作用。本論文在此基礎上，深入研究了MXAN_6055基因產物可能的NhaA活性，并且對其轉錄調控機制進行了初步探索。
　　 首先圍繞上述基因構建了一系列突變體，通過對其在鹽脅迫條件下的生長、運動、發(fā)育等性質的分析，證明了MXAN_6055基因確實在M.xanthus DK1622的鹽脅迫應答生長中發(fā)揮作用。MXAN_6055敲除突變株YL1012在NaCl或LiCl脅迫下的生長顯著降低，如在200 mM NaCl脅迫下的生長較野生株下降了51％;當將該基因再回補到YL1012中時，其生長缺陷得到了恢復，從而證實上述M.xanthus突變株在NaCl或LiCl脅迫下的生長缺陷是由MXAN6055基因引起的。但是，MXAN_6055基因的過表達并沒有導致菌株耐鹽生長的顯著提高，暗示MXAN_6055基因在細胞內存在轉錄調控機制或者更高水平的調控機制。
　　 其次，利用大腸桿菌Na+/H+ antiporters缺陷菌株KNabc進一步鑒定了MXAN_6055基因產物的NhaA活性。將MXAN_6055基因異源表達到KNabc菌株中，可使其在堿性條件下(pH7.0-8.0)的Na+和Li+耐受能力從完全敏感分別提高到600mM和100mM。利用高壓破碎法制備了上述菌株的反轉膜泡(evertedmembrane vesicles，EM Vs)，并利用吖啶橙熒光淬滅-恢復實驗檢測了其Na+(Li+)逆轉運活性。結果表明EMVs在pH7.0和8.0時均具有Na+轉運活性，且在pH7.0時的轉運活性高于pH8.0時。以上結果證明了MXAN_6055蛋白確實具有Na+(Li+)耐受性和NhaA活性。
　　 最后，對MXAN_6055基因的轉錄調控機制進行了研究。以E.coli中Ec-NhaA的轉錄調控因子NhaR為提問序列，通過同源性檢索在M.xanthus DK1622基因組中檢索到其可能的同源基因MXAN_0784，兩者的氨基酸序列一致性為34％。通過突變體構建及性質分析表明，與野生菌株M.xanthusDK1622相比，MXAN_0784的敲除導致突變株Na+脅迫下生長能力的降低，而其過表達則導致相應條件下生長能力的提高;qRT-PCR的檢測結果與突變體性質分析結果一致，即:MXAN_0784敲除突變株中MXAN_6055基因的轉錄水平下降，而其過表達突變株中MXAN_6055基因的表達水平顯著提高，表明MXAN_0784基因對MXAN_6055基因的轉錄具有正調控作用。將MXAN_0784進行異源表達并純化后，利用bandshift試驗驗證了其與MXAN_6055基因上游調控序列的特異性結合能力。以上結果證明了MXAN_0784作為MXAN_6055基因的正轉錄調控因子，調控了后者在粘球菌鹽脅迫應答中的NhaA活性。