希瓦氏菌CcmG基因调控细胞色素c蛋白成熟及其在电子传递中的功能研究

Shewanella oneidensis, a facultative Gram-negative anaerobe, is renowned for its remarkable anaerobic respiration ability. The S. oneidensis generates electrons by intracellular enzymatic oxidation reaction, and the electrons are transferred to the extracellular electron acceptor through the respiratory chain. Cytochromes of c-type play vital roles in bacterial respiration, and they can exchange electrons with the bound substrates or as pure electron carriers to shuttle electrons. The unique feature of c-type cytochromes is the covalent attachment of the cofactor to the protein polypeptide at the cysteines within the signature haem c binding motif CXXC. This process requires Ccm family genes, but the mechanism of the combination is not clear. This project focuses on this combination process through investigating function of thioredoxin CcmG which belongs to the Ccm family. Gene editing and protein interaction technology were used to analyze CcmG function in the process of cytochrome c maturation. These studies can provide new insights for revealing the mechanism how Shewanella CcmG regulates heme levels and the electron transfer process, and also providing theoretical basis for the improvement and promotion of microbial fuel cell.

产电微生物希瓦氏菌是通过细胞内发生有机物的酶促氧化反应释放电子，并经过呼吸链将电子传递到胞外电子受体完成产电过程。细胞色素c蛋白是电子传递到胞外的关键蛋白，它需要与血红素结合，并利用其中铁原子氧化态及还原态的可逆变化来实现电子的传递，细胞色素c蛋白与血红素结合的过程又称为细胞色素c蛋白的成熟，它必需要有Ccm家族基因的参与。目前，Ccm家族基因在两者结合中的作用机制尚不清楚。本项目重点对该家族中的硫氧还蛋白CcmG进行研究，采用基因编辑、蛋白互作等技术对其在细胞色素c蛋白成熟过程中的功能进行解析，揭示CcmG基因对希瓦氏菌血红素水平及电子传递过程的影响，为微生物燃料电池的改进、提升提供理论依据。

产电微生物希瓦氏菌中细胞色素c蛋白是电子传递到胞外的关键蛋白，需要与血红素结合并利用其中铁原子氧化态及还原态的可逆变化来实现电子的传递。细胞色素 c蛋白与血红素结合的过程又称为细胞色素c蛋白的成熟，它必须要有Ccm家族基因的参与才能完成血红素装配并行使功能。本项目通过分析确定，CcmG蛋白在电子传递过程中具有重要作用，在该蛋白缺失情况下希瓦氏菌的产电能力显著下降，通过CV阻抗、电镜观察和定量分析等方式对下降原因进行鉴定其进行验证，同时突变菌株细胞内血红素含量显著下降。在CcmG蛋白中的CXXC活性位点对该蛋白的功能具有重要影响，单独突变该位点可以达到与缺失菌株相同的结果。通过定量分析以及转录组测序证明，与电子传递以及生物膜形成相关的基因表达与原始菌株有显著差异，其中有7个细胞色素c蛋白的表达量出现显著差异。Pull down 与 Co-IP技术证明CcmG与CcmF蛋白之间具有互作关系，但其并未与细胞色素c蛋白形成二聚体，这表明CcmG和Ccm家族中的其他蛋白相互作用共同完成细胞色素c中血红素的装配过程。以上内容从蛋白互作的角度对希瓦氏菌进行研究，是对以往研究的深化和补充，对推动微生物燃料电池的商业化应用具有重要的意义。本项目的相关研究已发表SCI论文3篇、中文论文1篇，授权国家发明专利1项。