大肠杆菌pH震荡信号的调控机制及功能研究

Proton is an important kind of messengers, and it is essential for a cell to maintain its pH homeostasis. As a single cell organism, E.coli has developed a complex pH homeostasis network to counteract the changes of environmental pH. Recently, we found a spontaneous and transient pH alkalization in a single E.coli and we named it as “eFlash”. In this project, we will comprehensively study the regulations and functions of eFlashes with the aid of high resolution confocal imaging. Especially, we will focus on illustrating the roles of eFlashes in pH homeostasis and growth. Further, we will study the functions of eFlashes in regulating gene transcription by using RNA-seq. These studies will provide new mechanisms for pH homeostasis and gene transcription of E.coli. Meanwhile, we will identify the key eFlash regulatory proteins by a whole-genome screening, uncovering the mechanisms of eFlash generation and regulation.

质子（H+）一方面是重要的信使物质，另一方面胞内pH的相对稳定对于细胞维持正常的生理功能非常重要。大肠杆菌作为单细胞生物，为了应对周围环境复杂的pH变化，进化发展了严格的pH稳态调控机制。我们的前期研究在单个大肠杆菌中发现了自发的、瞬态的pH碱化现象，将其命名为“pH震荡（E.coli flash, eFlash）”。本课题将在此研究基础上，利用高分辨率激光共聚焦显微成像技术，全面深入研究pH震荡这一全新的生理动态信号，重点研究pH震荡信号在大肠杆菌pH稳态调控及生长中的作用，并进一步结合RNA深度测序技术解析pH震荡信号在细菌基因转录调控中的作用，从新的视角解析pH稳态调控及基因转录调控的新机制。另外，本课题还将在全基因组水平筛选pH震荡信号的关键调控蛋白，从分子水平剖析pH震荡信号的产生与调控机制。

细胞内pH稳态调控是生物体生命活动所必须的，尤其对于像细菌这样的单细胞生物，精密调控pH稳态以应对瞬息万变的外界环境pH变化是其生存所必需的。但细菌如何维持其细胞内的pH稳态平衡是有重要的基本生物学问题。该项目发现了细菌中全新的电化学兴奋信号，即细菌炫信号（BacFlash），它是含有多重信号的复杂的量子化信号，包含pH的瞬时碱化、膜电位的瞬时去极化和活性氧的瞬时爆发式产生。有意思的是，我们发现BacFlash的发生频率与细菌内pH缓冲能力负向相关，并且能够被进入细胞的质子漏所触发。通过对全基因组单基因敲除菌库中3985个敲除菌的筛选，进一步发现ATP合酶Fo复合体的a亚基是BacFlash产生的质子感应蛋白。更为重要的是，BacFlash能够激活酸应激关键基因的转录表达，表明BacFlash是一种新型的细菌pH稳态调控信号。因此，BacFlash作为一种预适应机制，通过激活酸应激基因的转录表达，使得细菌能够在极端酸环境中得以生存。该项目不仅揭示了原核生物中电化学兴奋信号和基因表达之间的紧密耦联，而且解析了细菌pH稳态调控的新机制。