Epsilon-变形菌新型趋化作用调控因子以及信号转导蛋白的作用机理研究

Chemotaxis plays pivotal role in bacterial adaptation into changing environment and bacterial pathogenesis. Although the past studies on model organisms revealed a classical chemotaxis signaling model, more and more comparative genomic analysis and functional studies on chemotaxis signaling proteins suggested that the chemosensory system of different bacteria shows great diversity, and the signal sensing and transduction is way more complicate than the classical model. There are relatively few studies that have been carried out on Epsilon-proteobacteria, which include important human pathogens and strains highly abundant in the deep sea extreme environments such as hydrothermal vents. Our recent studies have identified that this group of bacteria have evolved unique proteins that are involved in regulation of chemotaxis gene expression and also signal transduction process. Based on these findings, we propose to functionally characterize these novel chemotaxis-related proteins that are specific to Epsilon-proteobacteria, aiming to discover how two proteins specifically regulate the expression of core chemotaxis genes and how two potential signaling proteins function in the chemotaxis pathway. This project will reveal the exceptional chemotaxis signaling mode of Epsilon-proteobacteria, and also the relationship between genome evolution and environmental adaptation through the functional studies on proteins unique to this group of bacteria. Additionally, it will provide important insight into the bioprospecting of this group of bacteria abundant in extreme environment and also the control of bacterial pathogens.

趋化作用对细菌适应环境变化以及病原菌的致病发挥着重要功能。尽管以往对模式菌株的研究揭示了趋化信号转导通路的经典模式，然而近年来越来越多的基因组分析以及趋化通路蛋白的功能研究表明：不同细菌的趋化系统的构成呈现多样性，信号感知和传递方式也远比经典模式复杂。针对研究相对较少的Epsilon-变形菌纲（包括人和动物的重要致病菌以及深海极端环境富集的菌株），我们前期工作发现这类细菌进化了特有蛋白参与趋化基因的表达调控和信号转导过程。据此，本项目拟对筛选出的Epsilon-变形菌的新型趋化蛋白进行功能研究，阐明两个蛋白专一性调控核心趋化基因表达的分子机理，以及两个潜在的信号转导蛋白在趋化信号通路中的作用机制。该研究将揭示Epsilon-变形菌不同于其它细菌的趋化系统作用模式，并以特有蛋白为例解析基因组进化与不同环境适应性之间的关系，对这个纲的病原菌防治以及极端环境富集的细菌资源开发利用有重要指导作用。

本项目对Epsilon-变形菌趋化作用关键基因的表达调控以及新发现的趋化信号转导蛋白的功能进行了详细解析。鉴定了两个蛋白CheP和CheQ特异性的激活趋化核心基因cheVAW的转录。其中CheQ为DNA结合蛋白，CheP与CheQ相互作用，促进CheQ作用于cheVAW操纵子的启动子区域进行转录激活。其次，对新型的趋化信号转导蛋白CheO和CheH进行了功能解析，发现CheO蛋白只在低氧条件下介导趋化信号传递，而且与氧感知相关的趋化受体蛋白可以影响该蛋白的定位与功能；CheH蛋白是首次是趋化系统里面鉴定的与磷酸接力有关的信号转导蛋白，可以将激酶CheA的磷酸信号传递给应答蛋白CheY，从而影响细菌的鞭毛运动方向。该研究揭示了Epsilon-变形菌不同于其它细菌的趋化机制，并以特有蛋白为例解析Epsilon-变形菌基因组进化与不同环境适应性之间的关系，对这个纲的病原菌防治以及深海极端环境富集的细菌资源的开发利用有重要的指导作用。该项目工作内容共发表4篇SCI论文（均为微生物主流杂志，包括PLoS pathogens、PLoS Genetics、mBio、Molecular Microbiology）和1篇中文核心期刊论文，全部第一标注本面上项目资助，完成了预定的研究工作。此外，项目负责人当选美国微生物学会（ASM）主办新期刊Microbiology Spectrum编委，任期四年(2020-2023)；并担任中国微生物学会“普通微生物学专业委员会”和“分析微生物学专业委员会”委员（2021-2026）。同时，也培养了年青人才，共毕业了2名博士，4名硕士，1名博士后顺利出站。