蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX 3055趋光性信号转导机理研究

Phototaxis enables bacteria to search for light energy required for cell growth, while avoiding damages caused by strong light. Current research in bacterial phototaxis is mostly focused on a coccoid unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. However, due to the complexity of multiple pathways affecting phototactic motility, it is difficult to study the mechanism of phototactic signaling in this strain. Moreover, the majority of studies have been focused on identifying the photoreceptors and their responsive light spectra, but the molecular mechanism of signal transduction from photoreceptors to motility apparatus remains elusive. In our previous study, we isolated a wild rod-shaped cyanobacterium S. elongatus UTEX 3055 and found it has a more straightforward mechanism of regulating phototactic motility. Therefore, in this proposal, we will use UTEX 3055 as a model to investigate the mechanism of phototactic signal transduction, mainly through characterizing the function of each pathway proteins, their subcellular localization and protein interactions. This study is aiming to establish a new model for studying rod-shaped cyanobacteria phototaxis, which will help us further dissecting the phototactic signaling mechanism and increase our knowledge of phototaxis in bacteria with different cell shapes.

趋光性赋予细菌主动寻找生长所需光能并避开强光伤害的能力。对细菌趋光性分子机制的研究大多集中于球形单细胞蓝细菌Synechocystis sp. PCC 6803。然而该菌株的趋光运动受到多个信号通路的调控，增加了对信号转导机制研究的复杂性。并且已有的研究大多集中于光受体的发现及对其所感受光谱的鉴定，而受体接收到光信号之后如何将其传递到运动器官，并调控细菌运动方向的机制尚不清楚。Synechococcus elongatus UTEX 3055是一株新鉴定的短杆状蓝细菌，已有的研究发现该菌株趋光信号通路更直接。因此，本项目将以UTEX 3055为模型，通过对趋光信号转导途径中各蛋白组份进行体内和体外的功能鉴定，细胞定位以及互作关系研究，来揭示其信号转导的分子机制。本研究拟建立一个研究杆状蓝细菌趋光性的模型，帮助我们进一步了解细菌趋光性的分子机理并拓展我们对具有不同形状细菌的趋光性机制的认识。

细菌趋光性是众多细菌趋向性行为之一，能让细菌朝向或远离光源运动，有利于细菌在复杂的光照条件中获得适宜的光照条件，对细菌的适应性生存具有重要意义。然而，与细菌趋化性相比，细菌趋光性的细胞内信号转导机制仍不清楚。本研究以一株具有趋光性的蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX3055为研究对象，通过遗传学、分子生物学和生物化学等方法研究了趋光性信号的细胞内转导机制。研究发现，由tax1操纵子编码的六个蛋白PixGSe、PixHSe、PixISe-1、PixJSe、PixLSe和PixISe-2之间通过蛋白-蛋白相互作用紧密联系，形成一个复杂的光信号处理复合体，类似于细菌趋化性系统。这些蛋白完全或部分定位于细胞两级，调控细菌趋光性行为。尽管PixLSe与两个潜在响应调节蛋白PixGSe、PixHSe相互作用，但保守位点突变分析表明，激酶PixLSe与响应调节蛋白PixGSe，而不是pixHSe，组成趋光性核心双组份信号系统，并在趋光性运动中起到关键作用。此外，单独的CheW家族蛋白PixISe-1或PixISe-2在功能上并不具备CheW的连接功能，进一步表明趋光信号系统和趋化性系统的信号转导机制可能存在差异。本研究首次完整描绘了细菌趋光性系统相关蛋白在细胞内的定位及相互作用关系，加深了对单细胞杆状蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX 3055趋光性蛋白网络架构的全面认识。同时，初步建立了一个研究单细胞短杆状蓝细菌趋光性的分子模型，为进一步研究细菌趋光性提供了基础。尽管还存在一些待解决的问题，本研究的结果将有助于更深入地探究细菌趋光性的机制。