深海细菌Shewanella piezotolerans WP3呼吸作用的全局调控研究

Respiration is required for living organisms to obtain enough energy, thus studies on global regulation of respiration will improve our understanding of basic mechanisms of survival and adaptation to environment. Deep-sea bacteria are known for their diversities in respiration and usually able to use a variety of terminal electron acceptors for anaerobic respiration. Studies on regulatory mechanisms of anaerobic respiration not only are of great importance to understand adaptations of deep-sea bacteria to extreme environments, but also contribute to explorations of early lives on Earth and understandings on life forms and evolution. In this study, Shewanella piezotolerans WP3 separated from deep-sea sediments in Western Pacific is used. With techniques in comparative genomics and transcriptomics analysis, bioinformatics and molecular biology, composition of the respiratory system (in particular anaerobic respiration), expression profiles of regulatory factors and global regulation of respiration will be studied in a systematic way. This study will be of great importance for uncovering mechanisms of adaptation and metabolic evolution of deep-sea bacteria.

生物体生命活动的绝大部分能量来自于呼吸，对生物呼吸作用全局调控模式的研究有助于加深对生命生存和环境适应基本机制的理解。深海细菌通常能利用多种末端电子受体进行厌氧呼吸，具有呼吸多样性。对深海细菌厌氧呼吸机制的研究不仅是理解深海细菌极端环境适应机制的关键，还有助于对地球早期生命的生存方式及其演化的探索和理解。本研究以分离自西太平洋深海沉积物中的嗜冷耐压细菌Shewanella piezotolerans WP3为研究对象，结合比较基因组学，转录组学等生物信息学分析和基因敲除，功能验证等各种分子生物学技术，对WP3呼吸系统（特别是厌氧呼吸）的组成、调控因子的转录表达和呼吸作用的全局调控进行系统分析。本研究将是揭示深海细菌环境适应调控机制和代谢演化的重要基础。

希瓦氏菌广泛分布的水生微生物，并且在深海中最丰富的变形菌之一，并以它多变的电子接受能力而被人所知。然而，他们的适应极端温度，pH，盐度和压力苛刻和多样的环境条件下的机制仍然大部分未知。细菌小RNA参与转录和转录后水平上的基因表达的调控，在微生物适应不同的环境条件和干扰过程中起到相应的作用。在本研究中，我们采用计算机预测的方法在一个耐压耐低温的深海铁还原细菌希瓦氏菌piezotolerans WP3基因组中寻找潜在的小RNA。通过扫描3673套希瓦氏菌同源基因的5'和3'非编码区，我们在WP3中确定了209个高可信度的小RNA候选。这些确定的sRNA中有大约92％（209个中的193个）是反式编码的RNA，这表明在希瓦氏菌piezotolerans WP3中反式调控RNA是最丰富的调控RNA。在其余的16个顺式调节RNA 中，6个sRNA在选定的几种嗜冷和嗜压物种中保守存在。由于顺式调控sRNAs参与调控其周围基因的表达，我们对这些预测的顺式sRNAs的上下游基因在低温/冷休克状态下进行了表达量检测，结果表明，在耐压和耐低温物种中保守的6个顺式sRNA的5'端基因在低温条件下均出现表达量上调。这些基因的表达被认为由所识别的顺式的sRNA来调节，因此，在基因表达中显著变化可指示在低温条件下这些顺式sRNAs的调控功能。此外，不同温度和压力条件下，Hfq缺失条件下的基因间去的表达模式，进一步验证每个sRNA的功能。我们的研究在转录的水平上为微生物适应极端环境条件提供了证据。