蓝细菌异形胞发育关键转录因子HetR的结构和失活机制研究

发布时间：2017-12-13 16:31

  本文关键词：蓝细菌异形胞发育关键转录因子HetR的结构和失活机制研究

  更多相关文章： 蓝细菌 异形胞 模式形成 转录因子 晶体结构 抑制肽

【摘要】：蓝细菌,也称作蓝绿藻,在地球上生存超过30亿年,是一大类革兰氏阴性原核微生物,能够通过其营养细胞进行产氧光合作用。在进化的过程中,蓝细菌是大气层最主要的氧气供应源,并导致了“大氧化事件”的发生。另外,蓝细菌与绿色植物细胞器叶绿体的光合作用具有相似的特征,所以蓝细菌被认为很有可能是叶绿体进化上的祖先。生物固氮的主要作用是将大气中的氮气通过依赖ATP的还原反应,在固氮酶系统的催化下还原为氨。很多原核生物都能够进行生物固氮,例如巴士梭菌、圆褐固氮菌和一些丝状蓝细菌。除了营养细胞外,蓝细菌还能够分化出一些特殊的细胞类型,包括能进行固氮的异形胞、类似芽孢的厚壁孢子和能够运动的藻殖段细胞。当化合态氮源缺乏的时候,一些丝状蓝细菌,如模式藻株鱼腥蓝细菌,其中有大约5-10%的营养细胞就会分化成异形胞,用来固定大气中的氮气。一般每隔10-20个营养细胞分化出一个异形胞,这种有规律的异形胞在藻丝上的一维分布就称作异形胞模式。在通常条件下,异形胞分化的全过程大约需要20-24小时,异形胞和相邻的营养细胞很容易从形态上进行区分,因为异形胞的尺寸比营养细胞更大,并具有两端的颈状结构和一个厚的外包被层。这个异形胞特有的外包被层可分为两层：一个减少氧气透过的糖脂层,和一个用于保护脆弱糖脂层的多糖层。成熟的异形胞不具有进行光合放氧的光系统II,此外,异形胞中的呼吸速率也提高了,能够进一步降低胞内的氧浓度。异形胞内形成微氧环境后,固氮作用开始,藻丝也恢复正常的生长。蓝细菌的三羧酸循环并不完整,缺少α-酮戊二酸脱氢酶,所以化合态氮源被剥夺后会导致α-酮戊二酸的积累,结果会激活全局氮调节子NtcA,进而使HetR的表达量上调,起始异形胞的分化。HetR一直以来就被认为是异形胞发育和模式形成的核心调节因子。hetR的缺失突变会导致鱼腥蓝细菌不能起始异形胞的分化,而各种hetR的点突变会造成异形胞不分化、分化比例减少或增加等不同表现。实际上,HetR是作为一个转录因子,通过起始信号级联放大后激活一系列下游基因的表达。HetR二体特异性结合受调控基因启动子区的DNA序列,包括hetP、hetZ、hetR、patS、pknE、hep A等基因。抑制性五肽RGSGR (PatS5)参与异形胞模式形成,该五肽序列先后在PatS的C末端和HetN中被发现,PatS和HetN都是异形胞分化的负调控因子。PatS5能够直接结合到HetR上并抑制其DNA结合活性。特别的是,相比于PatS5,HetR对六肽ERGSGR (PatS6)具有更高的亲和力。HetR和这种可扩散的抑制肽间的相互作用网络符合发育生物学图灵模型中成形素的基本条件。然而迄今为止,该抑制肽在生理条件下真正的活性状态还不清楚。我们对一些参与异形胞分化的关键蛋白进行了结构和功能的研究。最后,我们解析了鱼腥蓝细菌HetR结合DNA,以及HetR的Hood结构域(HetRHood)结合PatS6这两个复合物的结构,其衍射分辨率分别为2.80和2.10 A。在HetR-DNA复合物中,交错形成的HetR二体包含两个新颖的DNA结合模体,每个DNA结合模体由一个亚基DNA结合结构域中经典的螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)和一段来自另一个亚基Flap结构域的辅助α螺旋组成。在PatS6-HetRHood复合物中,两个PatS6分别结合在HetRHood两个亚基的侧面沟槽中。进一步的研究表明HetR结合PatS6后会引发其Flap结构域的构象变化,使得辅助螺旋脱离DNA大沟,进而导致HetR从DNA上释放。此外,我们对异形胞分化相关蛋白HetN和HetF进行了初步的探索。我们纯化了HetN的重组蛋白但没有得到晶体；我们分别表达和纯化了HetF的N端和C端结构域,但只得到了HetF-C结构域的晶体,未来还需继续优化。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q78

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本文编号：1285827