蓝细菌异型胞分化调控的结构生物学基础

丝状蓝细菌鱼腥藻(Anabaena sp. PCC7120)是经常爆发水华的江苏太湖和安徽巢湖的第二大蓝藻优势种群，也是研究蓝细菌的生理和生化功能的模式生物。它主要通过营养细胞行光合作用，在氮源缺乏时也可以通过异形胞进行厌氧固氮以维持侧翼的营养细胞的生长。我们已解析了异形胞分化时感应氮源缺乏信号的全局性转录因子NtcA及其与效应子-2-OG的复合物的三维结构，并初步阐明了在2-OG富集时被激活的结构生物学机制。在此基础上，我们将利用分子生物学、生物化学和结构生物学的手段对NtcA的相互作用蛋白以及NtcA调控的靶基因所编码的蛋白质的结构和功能进行系统研究，同时结合转录组学和蛋白质组学的数据所鉴定得参与蓝细菌异形胞分化的关键基因和蛋白，以期深入理解它们如何在NtcA的调控下实现异形胞分化的分子机制。这些蛋白质的三维结构、相互作用关系和生化功能的研究还将为我们防治蓝藻水华提供理论指导。

异形胞是蓝细菌在氮源缺乏条件下由营养细胞进一步分化形成的一种可进行固氮作用的特殊细胞。异形胞发育不仅对于蓝细菌生理和生态研究具有重要作用，也为研究原核细胞分化提供了一个重要的模型。然而，目前人们对于异形胞的分化以及异形胞特异的糖脂层、多糖层的形成乃至异形胞成熟的机制都知之甚少。我们以鱼腥蓝细菌Anabaena sp. PCC 7120为研究对象，以X射线晶体衍射的方法为手段，系统表达和纯化了一批参与蓝细菌异形胞分化和成熟的转录调节蛋白和酶类，并解析了多个参与这一过程的蛋白质晶体结构。结合定点突变、活性分析、底物的筛选及模型构建等多种手段，阐明了一些靶蛋白在参与蓝细菌异形胞形成过程中的作用机理，为更深入的研究蓝细菌异形胞的分化和成熟提供了结构生物学基础，有助于我们揭示细胞分化的机制。