铁、氧代谢途径的关键基因在控制趋磁螺菌磁小体合成中的作用

Magnetospirillum gryphiswaldense strain MSR-1 has the unique capability of taking up large amounts of iron and synthesizing magnetosomes (intracellular magnetic particles composed of Fe3O4), and therefore has an extremely high iron requirement.It must have precise genetic and physiological mechanisms to balance the high iron levels necessary for magnetosome production, vs. the potential toxic effects of excessive intracellular iron. The unusual high iron content of MSR-1 makes it a useful model for studying biological mechanisms of iron uptake and homeostasis..In this study, we will obtain the cells which can be synthesis and can not be synthesis magnetosomses under two iron content culture conditions. Combination of the variety of physiological, biochemical detection methods, transcriptome analysis, and especially quantitative PCR, to investigate the transcription level differences of critical genes involved iron and oxygen metabolic pathway..The project intends to solve scientific problems: 1) How many genes involved in the process of magnetosoms synthesis? 2) In artificially controlled conditions, what functions of the major genes in iron and oxygen metabolic pathways during cell growth and magnetosomes formation? The results will be reveal the differences of functions and regulational characteristics of the key genes between two kind of cells. It can be provide the technical parameters culture conditions and to improve the yields of magnetosomes. The results also can be provided theoretical and experimental evidence for biomineralization mechanism in magnetotactic bacteria.

趋磁螺菌（MSR-1）菌株的显著特征是能够从环境中吸收大量铁并在细胞内合成纳米磁小体（Fe3O4）。其必然有一套遗传和生理学机制,使细胞既可保持高铁含量又可有效避免铁的毒害。因此它是研究细胞维持铁平衡及生物矿化机制的理想材料。本研究拟采取两种控铁培养方式获得合成及不能合成磁小体的细胞，采用转录组学、荧光定量PCR等技术并配合细胞生理、生化检测手段，重点分析两种细胞在磁小体合成过程中铁、氧代谢关键基因在转录水平上的差异。.本研究拟解决的科学问题是：1.细胞中有多少个基因参与了趋磁螺菌磁小体合成？ 2. 在人为可控的条件下，趋磁螺菌与铁、氧代谢途径相关的主要基因在磁小体合成过程中是如何协调发挥作用的？该研究结果不仅可揭示铁、氧代谢关键基因在磁小体合成过程中所执行的功能及其调控特点，为人工培养提高磁小体产量提供技术参数，也可为深入探讨趋磁螺菌生物矿化机制提供理论依据和实验证据。

趋磁细菌是研究细胞维持铁氧平衡及生物矿化机制的理想材料。本研究以趋磁螺菌(Magnetospirillum gryphiswaldense) MSR-1菌株为材料，采取控铁培养和控氧培养方式分别获得合成及不能合成磁小体的细胞，首先采用转录组分析,锁定细胞在磁小体合成过程中与铁、氧代谢及其调控的关键基因, 通过结构生物学、分子生物学、生理生化、物理学和磁学等分析技术，阐明目标蛋白在磁小体合成过程中的作用。. 转录组分析证实了趋磁螺菌在细胞生长过程中的多项生理特征，根据掌握供试菌株细胞在磁小体合成过程中生理性状变化规律，建立了进一步提高趋磁螺菌细胞培养水平的新工艺。. 在供试菌株中存在5个铁吸收调控家族的蛋白 (Ferric uptake regulator, Fur)。本研究首次报告了不同状态下的铁吸收调控蛋白Fur 3137 (MGMSRv2_3137）的四个高分辨率晶体结构，证明了Fur3137蛋白稳定状态及其被金属离子激活的机制，确定了其在DNA的结合序列, 发现了该蛋白几种重要氨基酸的功能，填补了在趋磁细菌中Fur的结构与功能研究的空白。采用突变策略并结合生理、生化和分子生物学等技术，证实属于Fur家族的铁响应调控蛋白（Iron response regulator，IrrB，MGMSRv2_3149）在MSR-1细胞中执行着控制铁-氧平衡、氧化应激和辅助控制磁小体合成的功能。发现了细胞内的Fur 蛋白之间存在功能互补的关系，从而解释了趋磁细菌Fur蛋白在细胞中的重要作用。. MamXY操纵元是磁小体岛上重要的操纵元之一。采用基因突变结合表型、生理生化和磁学方法对mamX和mamZ基因功能进行分析。证明MamX 可以参与磁小体膜内的电子传递及铁元素的氧化/还原过程，MamZ蛋白在铁吸收和三价铁还原过程中发挥作用，细菌双杂交实验证实MamXY 操纵元编码的四个蛋白之间存在明显互作关系，推测这四个蛋白可形成蛋白质复合体推进磁小体的成熟过程。实验结果完善了对磁小体岛上MamXY 操纵元整体功能的解释，为进一步揭示趋磁螺菌的生物矿化机制提供了实验证据。