蓝细菌AnabaenaPCC7120 RNA降解体的组成、组装、调控及生理功能研究

In E. coli, a complex consisting of several essential ribonucleases and related proteins, called RNA degradosome, globally regulates gene expression by processing and degrading most cellular transcripts. However, the composition and function of RNA degradosome in most of other bacteria remains largely unknown. Anabaena PCC7120 is a cyanobacterium extensively used for the researches of bioenergy production, photosynthesis, nitrogen fixation and prokaryotic cell differentiation. Our preliminary data shows that Anabaena RNase E could form complexes at least with PNPase, RNase R and All1338, indicating that an RNA degradosome distinct from the one in E. coli exists in cyanobacteria. In this project, we plan to systematically characterize the RNA degradosome of Anabaena PCC7120. Combining a series of state-of-art technologies, including immunoprecipitation, co-purification, bactererial two hybrid, pull-down, Northern blot, qPCR, Western Blot, Far-Western Dot Blot, confocal microscopy, RNA-Seq and others, we aim to identify the core components of the RNA degradosome of Anabaena PCC7120, elucidate their assembling process, characterize their transcriptional and translational pattern, and investigate their roles in photosynthesis, nitrogen fixation and heterocyst differentiation. This work would be the first in-depth study of cyanobacterial RNA degradosome, and would provide an insight into RNA degradation mechanisms and the regulation of cellular activities by RNA degradosome in bacteria.

E. coli RNA降解体负责对多种RNA加工降解从而全局调控细胞活动。但迄今人们对其他绝大多数细菌中RNA降解体的组成、调控及生理功能知之甚少。鱼腥蓝细菌Anabaena PCC7120是研究光合作用、固氮作用和细胞发育的重要模式菌株。我们首次发现该菌株中RNase E至少可与PNPase、RNase R、All1338等蛋白形成复合体，与E. coli RNA降解体组成明显不同。本项目拟运用免疫共沉淀、胞内共纯化、细菌双杂、Northern Blot、Far-Western Dot Blot、共聚焦显微观察、转录组测序等方法鉴定蓝细菌RNA降解体核心组分，阐明其组装方式，揭示各组分在胞内的表达调控，并探究RNA降解体对光合作用、固氮作用以及异形胞发育的影响。本项目是对蓝细菌RNA降解体结构和生理功能的首次深入研究，可望阐明蓝细菌RNA降解机制及RNA降解体对重要生理活动的调控功能。

在大肠杆菌中，RNase E可以通过其非催化结构域结合其他几种核糖核酸酶和调节蛋白，形成控制细胞RNA降解的RNA复合体。除大肠杆菌外，其他细菌中也发现了类似的RNA降解复合物，但它们的组成因细菌种类而异。在蓝细菌中，我们前期研究发现核酸外切酶PNPase与RNase E的非催化结构域能够结合。本项目主要确定了鱼腥蓝细菌PCC7120中RNA降解体的主要组分及其组装机制，发现了一种新的未知蛋白All1338，经生化鉴定其为一种RNase，还有与E. coli RNA降解体经典组分不同的另一种蛋白Alr1240，根据生化特性分析其为RNB家族的RNase II（AnaRnb），以及CrhB和AnaEno两种蛋白，并且鉴定出的这些组分与PNPase的结合区域不同，它们都结合在RNase E的N端催化区域。AnaRnb与RNase E的互作可以增强RNase E的内切酶活性，表明RNase II可以通过互作方式调控RNase E活性。以RNase E为骨架蛋白的降解体定位于蓝细菌细胞质内，这与大肠杆菌中RNase E的细胞膜定位不同。并且骨架蛋白AnaRne、组分蛋白All1338和AnaRnb都分布在营养细胞而不是异形胞中。此外，超表达降解体组分蛋白后都引起细胞生长变差、细胞形态畸变以及细胞分裂异常，这可能是由于RNA代谢受到影响。鱼腥蓝细菌Anabaena PCC7120是研究光合作用、固氮作用和细胞发育的重要模式菌株，本项目首次对PCC7120中RNA降解体的结构和功能进行了系统深入的探究，同时揭示了RNA降解体对蓝细菌固氮作用和异形胞分化的影响，研究结果有助于从崭新的视角进一步揭示蓝细菌这些重要生理活动的调控机制。并且对mRNA代谢机制的深入了解也有助于解析蓝细菌体内的碳氮循环及物质转化机理，为合成生物学或代谢工程上进一步将其改造为光合作用与固氮作用增强的工程菌，作为生物能源或生物产品的“绿色加工厂”提供了理论指导。此外，蓝细菌是地球上起源最古老的生物之一，通过比较蓝细菌与大肠杆菌等其它微生物RNA降解体的异同及降解机制的差异，有助于阐明不同生物中RNA加工、降解这一重要生命过程的进化机制以及RNA降解体对重要生理活动的调控功能。