谷氨酸棒杆菌MetY介导的硫代谢调控分子机制及其氧化压力响应

Sulfur is the important element that maintains many life activities, elucidating the mechanism of sulfur metabolic regulatory network play an significant role in understanding the physiological functions of cells which sulfur involved in. Corynebacterium glutamicum utilizes both transsulfuration and direct sulfhydrylation pathways to respond different environmental sulfur source, but the regulation mechanism and the physiological significance of direct sulfhydrylation pathway are still unknow. Based on the conditions above, our previous work show the transcription of metY (coding O-acetylhomoserine sulfhydrylase) was affected by environmental sulfur source, the expression of cysR and the sulphate reduction cluster that cysR controlled down-regulated after the expression of metY was closed, which indicated the unknown sulfur regulatory network. This project is assumed to research on the regulation mechanism of metY and cysR, reveal the dynamic mechanism of cell internal physiological change. All the results in this research will provide theoretical supports for intensively understandings of sulfur metabolic regulatory network and will provide foundations for promoting extensive application of sulfur metabolism.

硫是参与生命活动的重要元素，阐明微生物硫代谢调控网络对深入理解硫元素广泛参与的细胞各项生理功能具有重要意义。谷氨酸棒杆菌同时存在间接转硫途径及直接硫化途径来响应不同环境硫源，但直接硫化途径调控机制及其生理意义尚不明晰。申请人前期研究以此为切入点，发现直接硫化途径metY基因（编码O-acetylhomoserine sulfhydrylase）的转录受环境硫源影响，而metY表达关闭后，又会造成调控因子CysR及受CysR激活的硫酸盐还原途径基因表达的下调，提示存在未知的硫代谢调控网络。本项目拟以metY及cysR为研究对象，进一步探索直接硫化途径及硫还原途径的调控机制及相互影响，最终阐明细菌响应环境变化时其内部生理变化的动态机制。为深入理解硫代谢调控网络提供理论支持，为促进硫代谢的广泛应用奠定基础。

微生物参与的硫氧化还原过程是地球硫元素循环过程中的重要环节，硫化物在其中扮演重要角色。在一些蛋白质中，含硫氨基酸还会起到氧还状态感受器的功能；一些小分子的含硫化合物，如分枝硫醇（MSH）等对维持革兰氏阳性菌细胞内氧化还原平衡起到重要作用；另外，S-腺苷甲硫氨酸作为重要的甲基供体广泛参与细胞的多种生理功能。但是，部分硫化物在细胞内的积累又会对细胞造成毒性，因此对硫代谢相关的基因多采取严谨调控。.细菌针对不同的环境硫源来开启或关闭硫代谢途径相关基因的表达。在无机硫的环境中，细菌同时开启转硫途径及直接硫化途径。在含硫氨酸的环境中，调控蛋白或调控蛋白结合效应分子与metY前端调控区结合阻断其表达。阻断metY的表达以后，胞内硫化物积累导致细胞以不同机制进行响应。一方面通过SigB因子调控cysR的表达，进而下调硫酸盐还原途径基因的表达，从而起到减少硫化物产生的作用。另一方面，胞内硫化物的逐步积累诱发细胞开启包括抗氧化基因、小分子分枝硫醇（MSH）在内的相关基因表达，从而起到降低硫化物积累的作用。通过这两方面的共同作用将硫化物对细胞的损伤降到最低。.本项目的研究，有助于在全新的视角理解硫代谢调控的生理意义及其调控机制。同时，对不同种属微生物间硫代谢调控方式进行类比，从进化的角度理解硫代谢的生物学意义，也有助于拓展对过硫化修饰在工业、环境生物技术菌种（大肠杆菌、假单胞菌）和致病菌（沙门氏菌）中调控机制的理解，具有重要的学术价值。另外，大肠杆菌硫代谢途径的多级调控网络也一直是制约其进行含硫氨基酸生产的关键问题，解析硫代谢调控网络对开发更加精准的代谢工程改造策略，拓展大肠杆菌在氨基酸、有机酸等生产中的应用具有重要的应用价值。.通过硫代谢调控分子机制的解析，构建了多株含硫氨基酸生产菌株，其中半胱氨酸产量达到了10 g/L，甲硫氨酸合成细胞工厂在15 L发酵罐中产量达到20 g/L的水平。项目发表论文4篇，构建了具有自主知识产权的生产菌株，授权专利3项。