集胞藻 PCC 6803毒素-抗毒素系统VapBC10在细胞适应镉胁迫中的调控作用

Cyanobacteria are highly tolerant to toxic heavy metals with the advantages of their multiple adaptation mechanisms. Our previous studies show that an unique mechanism mediated by the toxin-antitoxin system VapBC10 is involved in adaptation of the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 to cadmium stress. Some chromosome-encoded TA systems have been shown to mediate bacterial adaptation to adapt to particular stresses by modulating some important physiological processes, we thus propose that the VapBC10 system may mediate adaptation of cyanobacteria to Cd stress by regulating differential gene expression at transcriptional and post-transcriptional levels, causing the alteration in cellular physiologies. To reveal the regulatory mechanism of the VapBC10 TA system invoved in Synechocystis response to Cd stress，this study will focus on activity regulation of the VapBC10 components as well as roles of VapBC10 in the physiological and genetic regulation of Synechocystis PCC 6803 uder the Cd stress condition. Since the homologues of VapBC10 are also found in all other sequenced cyanobacterial species, they may play a common role in adaptation of cyanobacteria against Cd stress. Therefore, the results of this study will not only contribute significantly to understanding of the mechanism of cyanobacterial tolerance to Cd, but also enrich the theory of TA system mediating bacterial adaptation to particular stresses.

蓝藻通过多种途径适应并耐受重金属胁迫,但其调控机制还不清楚。申请人最近的研究表明，模式蓝藻集胞藻PCC 6803的毒素-抗毒素（TA）系统VapBC10与细胞适应镉（Cd）胁迫有关。已证明一些细菌染色体上的TA系统介导细胞适应特异性胁迫，由此推测VapBC10组分可能通过在转录水平和转录后水平上控制基因的差别表达、调控细胞的一些重要生理活动使集胞藻适应Cd胁迫。本项目拟通过对Cd胁迫条件下VapBC10组分生化活性调控、VapBC10在集胞藻适应Cd胁迫生理活动中的遗传调控作用进行研究，阐明该TA系统在集胞藻适应Cd 胁迫过程中的作用机制。由于VapBC10同源TA系统特异地分布于已测序的蓝藻中，它们可能在蓝藻适应Cd胁迫过程中具有相同的功能。因此，本项目研究结果不仅会进一步揭示蓝藻适应Cd胁迫的调控机制，也能丰富TA系统调控细菌适应环境胁迫的理论，具有重要的学术价值。

细菌染色体编码的II型TA系统作为胁迫反应调控因子，通过调控细胞的生长使细菌适应特异的环境胁迫。集胞藻PCC 6803的TA系统VapBC10介导细胞适应镉（Cd）胁迫，但其调控机制还不清楚。本项目通过研究Cd2+ 对VapBC10组分功能的影响，Ssl2733和Sll1400构成的TA系统VapBC12在细胞适应Cd2+胁迫中的作用，VapBC10和VapBC12系统组分的交互调控作用，VapBC10在Cd2+胁迫过程中的遗传调控作用，以及受VapBC10调控的关键基因功能，籍此阐明该TA系统介导集胞藻细胞适应Cd2+胁迫的分子机制。研究结果显示，Cd2+胁迫不直接调控VapBC10系统组分的功能或活性，但VapBC10和与其同源的VapBC12系统的抗毒素，以各自特异的方式在蛋白水平上交互调控毒素活性，二者协同作用介导细胞适应Cd2+胁迫；在Cd2+胁迫条件下，VapBC10下调集胞藻细胞中参与能量代谢、合成代谢和其他重要活动的一些蛋白质的合成，上调与Cd2+胁迫信号转导和转运相关的蛋白，如二元系统Sll0649-Slr0533和离子转运蛋白Sll1600和Slr1295的表达水平。这些结果提示，在集胞藻细胞适应Cd2+胁迫过程中，VapBC12与VapBC10的组分通过各自特异的交互作用，调控系统组分功能及活性。激活的毒素通过调控细胞生长速度和减少Cd2+在细胞中的积累，使集胞藻适应Cd2+胁迫。因此，本研究初步阐明了VapBC10介导集胞藻细胞适应Cd2+胁迫的调控机制，确定了作为胁迫反应调控因子的TA系统VapBC10和二元系统Sll0649-Slr0533在集胞藻细胞适应Cd2+胁迫过程中的调控关系，在理论上具有重要的科学价值。此外， VapBC12和VapBC10系统中抗毒素在蛋白水平上各自特异的交互调控特征，为合成类似抗毒素功能的短肽调控VapBC10活性，实现人为控制有害蓝藻的生长提供了新的思路。