微生物有机砷转化关键基因的分子机制和结构基础研究

This project, aiming for the understanding of arsenic biogeochemical cycle, focuses on the biotransformation of organic arsenicals. The roles and mechanisms of microbial genes critical for biotransformation of organic arsenicals will be studied, with special interest given to the protein function-structure relationship on the molecular level. The main aims of this project include: (1) the cloning and functional studies of key genes involved in biotransformation of organic arsenicals. Based on the physiological data, methylarsenite demethylase gene arsI, arsinothricin N-acetyltransferase gene arsN, and arsS, gene related to arsenosugar synthesis, will be cloned from microbial genomes. These genes will then be expressed in E. coli and their functions will be studied; (2) the expression, purification, and crystal structural studies of the proteins involved in biotransformation of organic arsenicals. The function-structure relationships of these proteins will be studied and mechanisms on the molecular level will be illustrated. . This project is of significance for studying organic arsenicals’ role in arsenic biogeochemistry, fate, and toxicity. The research on biotransformation of organic arsenicals, especially its molecular mechanism and structural basis, is just emerging and novel.

本项目针对砷的生物地球化学循环，以有机砷的生物转化为切入点，围绕来自微生物的相关基因在有机砷的生物转化中的作用及机理开展研究，尤其是在分子水平上开展蛋白质结构与功能研究。主要研究内容包括：（１）有机砷转化的关键基因克隆与功能表征：在生理研究的基础上克隆微生物基因组中的砷去甲基化酶基因arsI、砷代草丁膦N-乙酰转移酶基因arsN和与砷糖合成相关的基因arsS，并通过在大肠杆菌相关突变体中的基因表达与功能互补试验表征所克隆基因的功能；（２）上述有机砷转化相关蛋白质的表达、纯化和晶体结构研究，揭示其结构与功能关系，从而在分子水平上探讨其作用机制。.本项目对认识环境中有机砷的生物地球化学行为、归宿和生物毒性具有指导意义。有关有机砷生物转化的研究，尤其是其分子机理和结构基础的研究，目前国际上刚刚开始，具有明显的创新性。

微生物对砷的转化是砷的生物地球化学循环的重要组成部分。本项目对来自微生物的相关基因在有机砷的生物转化中的作用及机理开展研究，侧重在分子水平上开展蛋白质结构与功能研究。涉及到的有机砷转化基因包括念珠藻砷去甲基化酶基因arsI、肠杆菌LSJC7砷代草丁膦N-乙酰转移酶基因arsN和集胞藻与砷糖合成相关的基因arsS。我们分别在大肠杆菌中表达、纯化了这几种蛋白质，得到了一定量的蛋白质，并进行了晶体生长实验，培养出了ArsN的晶体，为进一步阐明其三维结构打下了基础。我们发现肠杆菌LSJC7对草丁膦具有抗性，可将草丁膦⼄酰化，从LSJC7中克隆出的N-乙酰转移酶基因arsN在⼤肠杆菌AW3110中表达时赋予其草丁膦抗性，并能在培养基和细胞中检测到乙酰化产物，纯化的ArsN蛋白在体外也表现出较强的乙酰化能力。由于未能获得砷代草丁膦样品，我们仅就ArsN对草丁膦的转化进行了研究，但我们预计ArsN对砷代草丁膦也具有相似功能。我们还发现坛紫菜可以将无机砷转化成有机砷，五价无机砷主要被转化成砷糖。我们的研究对于从分子水平理解这些砷转化基因的作用机理，加深对砷生物地球化学循环的认识具有重要意义。