Cupriavidus pinatubonensis JMP134中H2S氧化代谢途径的调控机理研究

Hydrogen sulfide (H2S) is an important environmental pollutant. It is toxic at high levels and essential as a signal molecule at low concentrations inside the cells. Little is known about its oxidation and regulation by heterotrophic bacteria. We have characterized a new H2S oxidation pathway involving sulfide:quinone oxidoreductase (SQR) and persulfide dioxygenase (PDO) in heterotrophic bacteria. Further, we have found that its metabolic intermediates and products of the new pathway can act as substrates for the Sox pathway and the assimilatory sulfate reduction pathway, making sulfur metabolism and regulation complex in heterotrophic bacteria. The proposed research will focus on Cupriavidus pinatubonensis JMP134, a well-characterized bacterium for the degradation of aromatic compounds. The bacterium contains the SQR-PDO system, the Sox system, and the assimilatory sulfur reduction system. The specific aims are to identify the regulators and analyze their binding sites to genes coding for each pathway, construct promoter reporting system to analyze the regulation function of the regulators using wild and regulator knock out strains. In addition, we can change the concentration of SQR-PDO intermediates by gene inactivation or overexpression; therefore, the sulfur metabolism and regulation governing the interactive pathways will be elucidated. The studies will help to establish the application of heterotrophic bacteria in sulfur bioremediation.

硫化氢（H2S）是重要的环境污染物，对细胞具有毒性和信号调控双重作用。它在生物体内的研究集中在自养菌，而缺乏异养菌硫氧化途径及调控过程研究。芳香化合物降解模式菌Cupriavidus pinatubonensis JMP134除具有我们新发现的硫醌氧化还原酶(SQR)-过硫化物双加氧酶(PDO)体系外，还具有自养菌氧化硫的Sox系统，亚硫酸盐氧化系统及同化硫酸盐还原系统。这些系统可能协同作用，因为有代谢中间物重叠。因此，H2S在异养菌体内的代谢与调控过程是一个综合的过程，需要多个调控蛋白协同作用。本研究以异养菌C. pinatubonensis JMP134为对象，通过分析各途径调控蛋白结合位点，构建启动子报告系统，通过敲除菌和野生菌的报告系统、代谢物分析确定各调控蛋白在H2S代谢中的作用，通过改变中间产物来分析对下游代谢调控过程的影响，获得综合调控途径，为利用异养菌进行硫污染治理奠定基础

硫化氢（H2S）是重要的环境污染物，高浓度的H2S具有细胞毒性，但在低浓度下，H2S又被定义为细胞内的信号分子，其氧化产物硫烷硫对胞内很多基因表达具有调控作用。因此，H2S的代谢对细胞的生命活动具有重要意义。目前对H2S的研究在自养菌中比较完善，而对异养菌硫氧化途径及调控过程缺乏研究。.我们研究发现，细胞代谢过程中产生的H2S可以被自身或其他微生物细胞中的氧化酶所降解，而磁性固定化细胞具有更好的降解能力，可被应用于环境H2S的去除。很多微生物代谢产生硫代硫酸盐（S2O32-）积累，过量的 S2O32对细胞可能具有毒性。原核生物中，Sox系统可氧化 S2O32-为低毒的硫酸盐排出体外；真核生物酵母中，过量的 S2O32-可通过扰乱生物能量对细胞产生毒性，线粒体硫转移酶RDL1负责 S2O32-的降解以降低其细胞毒性。.我们对芳香化合物降解模式菌株Cupriavidus pinatubonensis JMP134中H2S代谢的Sox与Yed系统的代谢与调控过程进行了研究。由于Sox系统不能代谢H2S，我们发现其真正底物是S2O32-。SoxR是Sox系统的抑制蛋白。通过分析调控蛋白结合位点，构建启动子报告系统，基因敲除、代谢物分析，我们确定了Sox系统表达受H2S、零价硫、S2O32-和连四硫酸盐的诱导，S8和多硫化物均可以解除SoxR蛋白与启动子区的结合，而S2O32和连四硫酸盐不能解除SoxR结合导致的转录抑制作用，可能其催化产物硫烷发挥了解除作用。Yed系统中的YedE1E2经分析发现具有硫转运功能，可以促进小分子零价硫的吸收但不能促进其释放。其对较大的分子如GSSH的吸收也不具有促进作用。YedR与SoxR同属于ArsR家族调控蛋白，YedR对Yed系统的转录也具有抑制作用，S8和多硫化物均可以解除YedR与启动子区的结合，促进系统转录。.H2S进入胞内后，诱导SqrR启动Sqr-Pdo系统，产生代谢物硫烷、亚硫酸盐、S2O32-等。硫烷可诱导Yed系统的转录，进而产生YedE1E2促进零价硫的泵入，经Sqr、Pdo氧化使硫烷硫较快的恢复合适的水平。硫烷硫可诱导Sox系统，跟氧化过程积累的S2O32-代谢物一块诱导Sox系统的转录，将其氧化为硫酸盐排出体外，从而在体内维持硫烷硫稳态。该研究为更好的利用异养菌进行硫污染治理奠定了基础。