Synechocystis PCC 6803缺铁诱导蛋白IsiA相互作用网络的构建及其功能研究

Iron deficiency and other stress conditions strongly impact photosynthetic apparatus in photosynthetic organisms. The photosynthetic apparatus of cyanobacteria, containing 22-23 iron atoms, is highly vulnerable to iron deficiency. Iron starvation results in various structural and functional changes within the cyanobacterial cells, among these changes is the appearance of a chlorophyll (Chl)-protein complex associated with the isiA gene product IsiA, or CP43'. The IsiA protein induced by iron starvation is known to encircle the PS I reaction centers, forming a protein supercomplex consisting of a trimeric PS I and a circle of 18 IsiA subunits. While the protein is most strongly induced by iron starvation and becomes the major Chl-binding protein within the cells under this condition, it has been reported to be inducible to some extent (at least transcriptionally) by other environmental stresses, including salt stress, heat stress, oxidative stress, and high or limited light conditions. . In preivious papers, we reported the observation of a novel Chl-containing IsiA supercomplex (IsiA-PS I-PS II supercomplex) in addition to the IsiA-PS I trimer complex by sucrose gradient ultracentrifugation in Synechocystis PCC 6803 under extensive iron starvation, and further results shown that IsiA is critical for efficient state transition.. Beside the physiological and functional ananlysis of IsiA, however, no biochemical analyses of IsiA or its associated protein or protein complexes were performed in these studies, and no evidences show direct interaction between IsiA and PS I or PS II. To find the answers the above scientific questions, in this study, by using Synechocystis PCC 6803 as a model system, we proposed to study the IsiA interacted proteins with the construction of IsiA- and IsiA-6?His mutants, through a series of methodologies include genetics, proteomics, physiology and biochemistry.

蓝细菌的光合作用系统共结合多达22-23个铁原子，因此对于缺铁胁迫非常敏感，其中最主要的响应就是缺铁诱导蛋白- - IsiA的大量诱导合成。除了被缺铁胁迫诱导并与PS I三聚体形成复合体以外，我们的前期研究发现，IsiA还可以形成IsiA-PS I-PS II超级蛋白复合体并且在蓝细菌Synechocystis PCC 6803光合作用的状态转换中起重要作用。. 到目前为止，虽然国际国内同行对IsiA进行了大量的生理学和功能研究，但是关于IsiA的相互作用蛋白及其相互作用机理，以及IsiA如何实现其生理功能等等重要科学问题，都有待于进一步的深入研究。鉴于以上研究背景和我们已有的工作基础，提出以蓝细菌Synechocystis PCC 6803为材料，构建IsiA-缺失突变体和IsiA-6XHis标签突变体，通过遗传学、蛋白质组学、生理学和生物化学等实验手段，对上述科学问题进行探讨。

蓝细菌的光合作用系统共结合多达22-23个铁原子，因此对于缺铁胁迫非常敏感，其中最主要的响应就是缺铁诱导蛋白IsiA的大量诱导。除了被缺铁胁迫诱导并与PS I三聚体形成复合体以外，我们的前期研究发现，IsiA还可以形成IsiA-PS I 超级蛋白复合体并且在蓝细菌Synechocystis PCC 6803光合作用的状体转换中起重要作用。.到目前为止，虽然国际国内同行对IsiA进行了大量的生理学和功能研究，但是关于IsiA的相互作用蛋白及其相互作用机理，以及IsiA如何实现其生理功能等等重要科学问题，都有待于进一步的深入研究。鉴于以上研究背景和我们已有的工作基础，我们以Synechocystis PCC 6803为材料，构建IsiA-缺失突变体和IsiA-6His标签突变体，通过遗传学、蛋白质组学、生理学和生物化学等实验手段，对上述科学问题进行了探讨。.首先通过高通量测序技术检测筛选到调控IsiA的小RNA（sRNA）IsrR，通过RACE分析了其序列全长，相比于已经发表的全长序列，我们发现的IsrR在基因组的位置发生了两个碱基的位移，总长不变。.通过一系列工作，我们系统研究并总结了长期缺铁过程中IsiA包含复合物结构和功能的动态变化过程。当藻细胞受到缺铁胁迫后，积累的IsiA蛋白会优先结合PS I三聚体而形成IsiA18-PS I trimer，并发挥光能传递的功能。延长缺铁胁迫的时间会诱导两种不同形态和功能的超级复合体IHFS和ILFS。IsiA在二者中分别行使光能耗散/捕获的功能。与此同时，一些IsiA蛋白会自我聚集形成具有光能耗散功能的IsiA aggregate，并可能通过PBS为PS I或PS II提供光保护。IsiA包含复合物结构和功能的动态变化可能是藻细胞应对不同程度的缺铁胁迫所采取的一种适应性反应，这种反应保证其灵活地进行光吸收，从而实现长期缺铁条件下对光合作用的动态调节。.资助项目共发表SCI论文14篇。培养硕/博士研究生3/4人，30人次获得包括中科院院长奖学金，国家奖学金等奖项。基于本研究成果，课题主持人王强研究员应邀担任Frontiers in Microbiology (IF 4.36) Associate Editor；Nature子刊Scientific Reports (IF: 5.525) 的Editorial Board。