耐辐射奇球菌毒素-抗毒素系统MazEF-dr在DNA损伤胁迫响应和调控中的作用机制

Deinococcus radiodurans (DR) is a bacterium which is known for its tolerance to extreme DNA damage stress including irradiation and chemical mutagens. DNA damage agents can induce changes of gene expression level and physiological behaviors including apoptosis of a fraction of cells. DNA damage stress-response and regulation system plays important roles in its exceptional survival under stresses. Our previous results identified the toxin-antitoxin system MazEF-dr with special sequence-preference on RNAs in D. radiodurans. Gene mutation of MazEF-dr relieved the apoptosis of D. radiodurans under DNA damage stress, indicating that the MazEF-dr was involved in the stress-response and physiological regulation through the recognition and cleavage on RNA by its toxin MazF-dr. The molecular mechanism of induction and regulation of MazEF-dr under DNA damage stress remains unclear. Based on our previous study, we plan to investigate the molecular mechanism including DNA damage stress-induction and conditions, cellular targets and regulation of MazEF-dr using biochemical and molecular biological methods. The objectives of this project are to elucidate the function mechanism of MazEF-dr in the DNA damage stress-response and physiological regulation and reveal the response mechanism of D. radiodurans to DNA damage stress. The results will provide fundament and novel insights to understanding the survival of D. radiodurans under extreme stresses.

耐辐射奇球菌（DR）是一种能够忍受强烈电离辐射、化学诱变剂等DNA损伤剂压力的微生物，DNA损伤胁迫能引起基因表达水平变化并导致部分细胞凋亡等生理行为调控，DNA损伤胁迫响应和调控系统在其超强生存能力中起着重要作用。申请人前期研究发现了DR菌具有特殊RNA序列作用偏好性的毒素-抗毒素系统MazEF-dr，MazEF-dr突变能够解除菌体在DNA损伤胁迫下的细胞凋亡行为，表明MazEF-dr可能通过毒素MazF-dr识别和降解RNA功能参与了胁迫响应和行为调控。目前MazEF-dr的压力胁迫诱导和调控机制尚不清楚。本课题计划在前期研究基础上，研究并揭示MazEF-dr的DNA损伤胁迫诱导作用与条件、胞内作用靶点和调控等分子机制，阐明MazEF-dr在菌体压力胁迫响应和生理行为调控中的作用规律，旨在揭示耐辐射奇球菌应对DNA损伤胁迫的作用机制，为深入了解菌体极端环境生存机理提供基础和新的见解。

耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans, DR）是一种能够耐受电离辐射、氧化剂和化学诱变剂等DNA损伤胁迫压力的微生物，研究DR菌如何应对胁迫压力及其调控机制，对解释DR菌极强的生存能力具有重要意义。本项目围绕DR菌毒素-抗毒素系统MazEF-dr与DNA损伤胁迫响应的关系和调控机制，利用生化和分子生物学等手段研究了MazEF-dr的DNA损伤胁迫诱导作用与特性、胞内作用靶点和调控等分子机制，研究发现较高的亚致死剂量损伤胁迫压力条件能够引起胞内铁离子含量和活性氧（ROS）水平显著增加和细胞凋亡等生理行为，而MazEF-dr突变解除了这种效应，表明了压力胁迫的剂量与MazEF-dr诱导作用的相关性和条件；研究了参与激活MazEF-dr系统的蛋白酶及其上游(p)ppGpp等调控途径和动态过程。分析鉴定了MazEF-dr作用的胞内靶点和功能，其中铁离子转运相关的Feo在过氧化氢处理后转录水平上调，表明Feo通过胞内金属离子水平调节参与了胁迫压力响应。分析了MazF-dr结构域和关键功能位点，MazF-dr蛋白结构中的β1-β2 loop有明显偏移，位于二聚体界面的β1-β2 loop以类似“锁”的结构存在，这与大肠杆菌MazF同源物具有较灵活性的loop不同，可能是MazF-dr底物偏好性不同于大肠杆菌MazF的重要原因，而且N端Loop区域的谷氨酸Glu24是MazF-dr的关键功能位点。MazEF-dr系统与调控因子PprI、DqsR在损伤胁迫响应中存在关联。阐明了MazEF-dr在菌体压力胁迫响应和调控中的作用规律，研究成果为深入了解耐辐射奇球菌极端环境生存机理提供了基础，相关抗逆资源为耐辐射奇球菌在环境修复等领域的应用提供了借鉴。