蓝细菌集胞藻6803中S2P蛋白酶介导级联信号转导参与胁迫响应的机制研究

The cyanobacteriumSynechocystis sp.PCC 6803 is an attractive model to investigate gene expression and regulation of photosynthetic organism, and it is also considered as promising resources for biofuels production. Stress response has been the important issue and hot topic in its research, while identification of transcriptional regulators and signaling transduction in response to environmental stress is essential to characterize the responsive mechanisms. Our previous studies confirmed that S2P (site-2-protease) homologs in Synechocystis play roles in stress response, and indicated that slr0643 play an important role in regulating acid acclimation most probably through its regulation on SigH operon. Here we raise this proposal to intensively investigate the mechanism of how slr0643 act through SigH operon to regulate acid acclimation. We will utilize microarray analysis to explore the function and underlied mechanism of slr0862 in heat shock and oxidative stress, slr1821 in salt stress, as well as sll0528 in oxidative and osmotic stress. We will figure out the relationship between four S2P and four anti sigma factors through in vitro proteolytic activity assay. Results from these proposed studies will unravel the function and mechanism of S2P signaling cascades in stress response of Synechocystis, as well as other cyanobacteria. They will also promote our understanding of chloroplast S2P and lay the foundation for the development and utilization of microalgae biofuels.

光合蓝细菌集胞藻6803既是研究光合生物基因表达调控的模式生物，也是微藻生物能源技术的重要对象，它的胁迫响应机制一直是该领域的研究热点。我们的前期研究确定了蛋白酶S2P与胁迫响应的关系，并初步阐明slr0643通过SigH操纵子参与弱酸胁迫响应。本项目将深入研究slr0643通过SigH操纵子参与弱酸胁迫响应的机制，揭示slr0643与SigH操纵子的体内关系；利用基因芯片分析sll0862参与氧化胁迫与热胁迫、slr1821参与盐胁迫、sll0528参与氧化胁迫和高渗胁迫的机制；通过体外酶切体系，研究四个S2P蛋白酶与四个抗sigma因子间是否有酶和底物的对应关系，并分析其剪切机制。上述研究将最终阐明集胞藻S2P介导的级联信号转导参与胁迫响应的功能与机制，为蓝细菌胁迫响应机理的阐述提供实验及理论依据，为探索高等植物叶绿体S2P的功能提供启示，并为微藻生物能源物质的开发利用奠定基础。

光合蓝细菌既是研究光合生物基因表达调控的模式生物，也是微藻生物能源技术的重要对象，作为地球上最古老的生物物种之一，它的胁迫适应机制一直是该领域的研究热点。在国家自然科学基金面上项目的资助下，首先系统研究揭示了光合蓝细菌集胞藻PCC6803中四个S2P蛋白酶基因家族成员Slr0643、Sll0862、Sll0528、Slr1821在盐胁迫、高渗胁迫、冷胁迫、高光胁迫和混养条件下的转录水平调控规律，发现其中Sll0528响应各种胁迫有数十倍到上百倍的转录上调，且持续时间长，是四个S2P中首要的响应因子，提示其重要的作用和机制。其次，通过突变体分析、转录组研究和体外酶活鉴定等手段，进一步明确Slr0643与SigH操纵子的关系；揭示了Slr0643通过上调铁吸收和同化利用过程，参与适应葡萄糖混养的功能和机理；揭示了Sll0528通过蛋白酶活性参与盐胁迫适应的机制；发现了Slr1821参与铵盐胁迫下铵的转运和同化利用的功能与机制。第三，通过基因组重测序和表型分析，确定了所用集胞藻株系的进化地位及其与其它亚株的关系，明确了微进化过程对胁迫机理研究的影响和作用。最后，通过S2P蛋白酶参与胁迫适应的机理研究，发现RNA聚合酶的重要组分-归属ECF Sigma因子的SigH和SigI直接参与了高光胁迫、乙醇耐受和铵盐的转运利用过程，为进一步研究它们通过调控下游基因转录，参与高光胁迫、乙醇耐受和铵盐的转运利用奠定了基础。本项目研究不但按原定计划，揭示了集胞藻S2P蛋白酶介导的级联信号转导参与胁迫适应的功能与机制，而且以ECF Sigma因子为切入点，为进一步研究胁迫适应机理开拓了新的机遇。这些研究不但有助于阐释蓝细菌胁迫适应机理，为微藻生物能源物质的开发利用奠定基础，而且为探索植物叶绿体S2P功能提供启示，为跨膜信号转导机制的研究推开一个新的窗口。