硝化螺旋菌门趋磁细菌生物矿化过程中丝氨酸蛋白酶的功能、结构特征及作用机制研究

Biomineralization of magnetic minerals has been discovered in a broad range of organisms. A typical example of biomineralization is found in magnetotactic bacteria (MTB), a morphologically and phylogenetically diverse group of microorganisms that form special intracellular magnetic organelles, named magnetosomes. The members of MTB are globally distributed and found in diverse aquatic environments. MTB have been attributed as important roles in global iron cycling, bulk magnetization of sediments and biomaterials application. In the previous studies of cultivated MTB strains，serine proteases (e.g., MamE) are identified to display potentially important role in the process of magnetosome biomineralization. However, the function, structural features and interaction mechanism of this kind of serine protease are still not clear. The proposed project will focus on a novel serine protease (MamE-like protein) in the magnetsome island of an uncultivated magnetotactic bacterium affiliated with the phylum Nitrospirae. The function, structural features, as well as expressing and regulation mechanism of this serine protease will be determined. On the basis of the available biochemical and structural information, we plan to analyze the structural domains' collaboration by investigating the interaction of protease binding protein and substrates. The interaction mechanism of this novel serine protease in magnetosome biomineralization process will be further eluted according to mineral-protein interaction criteria. The current project is to investigate the function, structural characteristics and molecular interaction mechanism of a novel serine protease, which will provide new insights into the interaction mechanism of serine protease in bacterial biomineralization process.

生物矿化普遍存在于动物、植物与微生物中，在自然界矿物形成和元素循环中发挥重要作用。趋磁细菌体内合成的磁小体作为一类重要的生物矿化模型，其矿化机理具有重要的生理功能和研究意义。前期研究发现磁小体岛上编码丝氨酸蛋白酶的基因失活，趋磁细菌不能正常合成磁铁矿，表明该类蛋白在磁小体生物矿化过程中具有重要作用，但该蛋白的功能、结构特征及分子作用机制目前仍不清楚。本项目以在铁生物矿化中起重要作用的硝化螺旋菌门趋磁细菌为研究对象，拟研究其丝氨酸蛋白酶MamE-like的功能、结构特征和表达调控机制，分析蛋白结构域介导的蛋白-蛋白和蛋白-底物的相互作用方式，采用分子对接模拟丝氨酸蛋白酶与磁铁矿的作用模型，探讨丝氨酸蛋白酶在磁小体生物矿化过程中的重要作用机理。本项目的完成将有助于阐明趋磁细菌新型丝氨酸蛋白酶的功能结构特征与分子作用机制，为揭示丝氨酸蛋白酶在趋磁细菌生物矿化过程中的生理功能提供重要的理论依据。

生物矿化普遍存在于动物、植物与微生物中，在自然界矿物形成和元素循环中发挥重要作用。趋磁细菌体内合成的磁小体作为一类重要的生物矿化模型，其矿化机理具有重要的生理功能和研究意义。本项目以一株未培养的硝化螺旋菌门趋磁细菌为研究对象，结合宏基因组和高通量测序技术首次分析了硝化螺旋菌门趋磁细菌的生理特征与遗传机制，阐明了该类细菌的铁代谢、二氧化碳固定、反硝化途径及硫代谢等主要生理代谢特征。通过基因组信息分析发现该细菌合成磁铁矿的相关蛋白主要由mam、mad和man基因簇编码，其中man基因簇为该类细菌所特有，其编码的蛋白可能在高效合成多条磁小体链过程中起重要作用。在此基础上，本项目进一步研究了与磁小体合成相关蛋白MamK和MamE的功能特征。研究发现MamK蛋白能够水解不同形式的核苷酸底物，对ATP的亲和力最高；能够以ATP为底物形成长而直、成明显束状的聚合纤维，且束状结构的形成依赖于KCl或NaCl浓度；在整个聚合过程中ATP以恒定速度水解，蛋白聚合的临界值为1.0μM，揭示了硝化螺旋菌门趋磁细菌类肌动蛋白MamK的生化特征、聚合特征及纤维组装方式。同时，通过研究丝氨酸蛋白酶MamE的功能特征发现该蛋白含有多个功能域，包括N端结构域、 1个胰蛋白酶结构域、1个细胞色素结构域及2个PDZ结构域；对该蛋白的各个功能域进行组装表达发现该蛋白存在复杂的自降解机制，并利用蛋白酶结构域的三个关键催化位点对MamE蛋白的N端、细胞色素和PDZ等结构域进行剪切，最终形成具有蛋白水解功能的蛋白酶；初步揭示了丝氨酸蛋白酶MamE的功能结构特征、表达调控机制以及分子作用机制。本项目阐明了趋磁细菌磁小体相关蛋白的功能结构特征与分子作用机制，为揭示丝氨酸蛋白酶在趋磁细菌生物矿化过程中的生理功能提供重要的理论依据。