RNA解旋酶在南极海冰衣藻冰冻环境适应中的作用机制

RNA helicases, occupy a pivotal position in the regulation of gene expression. Their own expression can be regulated by environmental stress with the resulting induction of RNA helicase biochemical activity providing the ability to regulate either the expression or activity of downstream target mRNAs. The activity of the protein products resulting from translation of target mRNAs can then contribute to cellular adaptation to the inducing stress conditions. The functions of RNA helicases in responding to abiotic stress have been verified in both plants and microorganism. However, RNA helicase gene involved in stress acclimation of algae has not been reported. The unicellular algae inhibit in Antarctic sea ice can endure extreme temperature and salinity circumstance and supposed to be perfect materials for study on mechanism of organism adaptation in low temperature and high salinity. In this project, the RNA helicase gene family from Antarctic ice algae Chlamydomonas sp. ICE-L will be analyzed at transcriptom level. RNA helicase genes in response to low temperature and high salinity will be explored, its enzymatic characteristics and activities will be studied. Based on the study of RNA helicase function, the transmission of freezing stress signal and regulation mechanism of downstream target mRNA will be discovered. This study will have theoritical singnidficance for adaptive mechanism of organisms to the extreme environments, and have a potential for improving stress tolerance ability of economic crops by appling the new RNA helicase gene of the Antarctic ice algae.

RNA解旋酶是基因转录后调控的关键因子。逆境胁迫信号能够诱导RNA解旋酶的表达和活性，使其进一步调控下游目标mRNA 的转录和蛋白翻译，从而提高生物的逆境胁迫适应能力。目前在高等植物和微生物中都已经证实RNA解旋酶在逆境适应过程中的重要功能，而有关藻类RNA解旋酶基因相关功能的研究还未见报道。栖息在南极海冰中的单细胞藻类能够适应低温和高盐的生活环境，因而成为研究低温、高盐胁迫适应机制的极佳材料。本项目拟在转录组水平研究南极衣藻RNA解旋酶基因的多样性。筛选其与低温、高盐等逆境适应相关的RNA解旋酶基因，研究其编码蛋白的结构与酶的生化特性；以RNA解旋酶为切入点，研究在受到冰冻胁迫时，南极衣藻逆境胁迫信号的传递，和下游功能基因表达的调控机理。本研究对揭示生物的抗逆机理和极端环境适应性机制有着重要的理论意义。新型抗逆功能基因的开发也具有潜在的应用价值。

南极衣藻是生活在南极海冰盐囊中的真核单细胞藻类，对海冰环境所表现出的强大的耐受力，使其成为研究绿色光合生物抗逆生理的极佳材料，本项目从多角度研究了南极衣藻的冰冻环境适应机制。.首先，在转录组测序的基础上，系统、全面的挖掘了南极衣藻RNA解旋酶基因家族序列，并与莱茵衣藻、团藻和拟南芥的基因家族成员进行了比较。从39条DEAD-box RNA解旋酶基因中筛选了4条参与南极冰藻冰冻胁迫应答的RNA解旋酶基因CiRH5、CiRH25、CiRH28和 CiRH55。研究了CiRH55 蛋白可能的相互作用蛋白。.其次，对南极衣藻的转录组序列与其近缘常温藻，莱茵衣藻和团藻的基因组序列进行了代谢通路比较分析，发现一些参与信号转导、转录后和翻译后修饰的基因组分是南极冰藻所特有的，意味着这些生物学过程在南极冰藻的逆境适应中发挥着重要作用。.再次，发现了存在于南极冰藻和海冰细菌间的水平基因交流的证据，在南极衣藻转录组序列中分离到了多条来自极地嗜冷细菌的参与多不饱和脂肪酸合成、细胞膜运输过程的蛋白基因以及分子伴侣等基因，并且在转录水平验证了部分基因的功能。我们认为南极衣藻可能是通过水平基因交流从环境共生的细菌中获得了相关的逆境适应能力。原核与真核生物间的水平基因交流在国内外尚属新兴的研究领域。我们的发现为这一研究提供了有价值的模型。.最后，从南极冰藻中克隆到了多条抗冻蛋白基因，对其中一条CiIBP3进行了深入地研究，其预测的蛋白三维结构与来自其它极地微生物的抗冻蛋白有较高的相似性。将其转入大肠杆菌，发现明显增强了大肠杆菌耐受反复冻融的能力。南极衣藻抗冻蛋白基因的开发具有广阔的应用前景。.综上所述，我们有关南极衣藻对海冰环境适应机制的研究还只是揭开了冰山一角，这是一个综合而复杂的体系。对这一机制继续深入研究，可以更好的揭示环境条件对生物进化的作用，并发现越来越多的具有应用价值的功能基因。