砷基生命DNA的精细化学结构鉴定及对细胞活动影响

作为生命的中枢，DNA上每个微小的改变都牵动着相应的生命现象。DNA生理修饰包括碱基上甲基化修饰和磷酸骨架上的磷硫酰化硫修饰。2010年12月Science杂志报道了一种独特的砷基生命细菌，可以将砷整合到它的DNA中。这是DNA上首次发现除CHONPS之外的新元素，可能代表了一种前所未见的DNA化学结构。然而，虽然知道此细菌DNA中含有砷，但是砷位于DNA的什么位置，砷取代的频率，仍是未解之谜。本项目将依托申请人前期成功鉴定DNA硫修饰本质的经验和技术，来解析砷取代的精细化学结构，并鉴定这种砷取代的序列和频率特征。本项目还将鉴定砷基生命细菌基因组的特征，以及基因组特征与砷基生命超能力之间的联系。进一步寻找可能决定这种超能力的基因，以及砷取代对基因表达等生命活动的影响，来研究砷基生命的生物学意义。

GFAJ-1是一种杆状盐单胞菌科（Halomonadaceae）嗜极细菌，由美国宇航局（NASA）一位太空生物学研究员Felisa Wolfe-Simon发现并培养的。2010年12月2日，Science杂志报道称该细菌能在缺乏磷元素的环境中吸收砷元素进入细胞内，并利用该元素对DNA进行修饰—“砷基生命”。虽然“砷基生命”的假说后来被一系列的数据彻底推翻，但是GFAJ-1相对于其近源盐类细菌，从外界环境吸收砷的倾向更胜一筹，这就值得我们进一步对其抗砷机制进行探索与挖掘。.我们通过测序获得GFAJ-1基因组完成图，成功在GFAJ-1染色体上定位了一系列与砷代谢相关的基因以及基因簇，其中包括5个散在的ars基因：arsA基因、arsB基因、arsR基因、acr3-1基因和arsC基因；1个由arsH1、acr3-2和arsH2三个基因组成的ars基因簇； 1个由mfs1、mfs2和G3P三个基因组成的mfs基因簇以及2个由pstB、pstA、pstC、pstS四个基因组成的pst基因簇。我们在国际上率先建立了GFAJ-1的基因操作系统，完成了各抗砷相关基因缺失，获得了多达27个基因缺失突变株，并且观察了这些基因缺失后相应突变株的砷抗性表型。.我们最终确定了GFAJ-1抗砷表型相关的两个操纵子。其中，GFAJ-1三价砷抗性表型由ars操纵子调控，而五价砷抗性表型由ars操纵子和mfs操纵子共同调控，并且ars操纵子中的acr3-2基因在GFAJ-1三价砷和五价砷解毒机制中都扮演着重要的角色。而mfs操纵子中mfs2基因和G3P基因仅仅对GFAJ-1五价砷抗性表型起作用。由此，我们在国际上率先提出了GFAJ-1独特的砷解毒机制：环境中五价砷通过磷酸转运系统pst/pit系统进入细胞，随后五价砷以两种形式排出细胞，一种是五价砷通过还原蛋白还原成三价砷，随后通过Acr3砷泵蛋白排除细胞，一种是五价砷直接通过MFS蛋白排出细胞，以此达到五价砷解毒效果；而三价砷As（Ⅲ）通过水-甘油蛋白通道GlpF进入细胞，并且直接通过砷泵蛋白Acr3排出细胞。GFAJ-1砷解毒机制不同于以往报道的单纯由ars操纵子调控，加入了mfs操纵子的协同作用，使得GFAJ-1相对于其它近源盐类细菌的砷解毒能力更胜一筹。GFAJ-1抗砷机制的阐明给其它生物砷解毒研究提供了新的方向。.