厌氧微生物Kosmotoga olearia TBF19.5.1T响应氧胁迫的功能基因筛选

Thermotogales provides good models for generating new insights into the evolution of organism and hydrogen fermentation. It have demonstrated that Thermotogales is able to grow in presence of O2, and Kosmotoga olearia TBF 19.5.1T is the supreme aerotolerant member of Thermotogale. However, the mechanisms defending oxidative stress of Thermotogale which is significant for us to understand the adaptative evolution is known little. The responses to oxidative stress of K.olearia TBF 19.5.1T will be investigated. And the effect of oxygen on its metabolism will be analysed by physiological and biochemical tests. The changes in gene expression under different oxidative stress will be analysed in global genome by transcriptome analysis. The founctional genes invovle in elimination of O2/ROS and DNA protection against oxygen in K.olearia TBF 19.5.1T will be selected and identified by Q-PCR and expressions in vitro. The putative pathway for oxidative stress response in K.olearia will be proposed.The result of this project will provide a novel basis for molecular mechanism to defense oxidative stress in Thermotogales and construction of aerotolerant genetic strains.

热袍菌(Thermotogales)是探讨生命进化和生物制氢的重要物种。近年来已证实部分热袍菌目物种也可在有氧环境中生长代谢，其中以Komostoga olearia TBF19.5.1T的对氧胁迫的耐受性最高，但是对其抵御氧胁迫的机制却鲜有报道。在比较基因组学分析的基础上，本研究以K.olearia TBF 19.5.1T 为研究对象，分析氧胁迫对菌株生长代谢的影响，从全基因组范围分析不同氧胁迫下菌株在转录水平的表达差异，通过Q-PCR和体外表达验证，筛选与O2消耗、ROS祛除、DNA保护相关的功能基因，探讨其响应氧胁迫的可能途径，从而为揭示热袍菌目响应氧胁迫的分子机制和选育耐氧工程菌株提供新的理论依据。

热袍菌目（Thermotogales）是极端嗜热细菌的共同祖先，一直是研究生命进化、生物制氢和开发生物酶的重要菌种，本课题以热袍菌目最耐氧的Kosmotoga olearia TBF 19.5.1T作为研究材料，采用基于RNA-seq的转录组学分析方法，探讨热袍菌目响应氧胁迫的可能途径，为揭示其响应氧胁迫的分子机制和生命进化历程提供新的理论依据。课题主要取得到以下研究结果：.（1）相同的氧化还原电势下，与氧敏感的K. shengliensis 2SM-2T相比，耐氧细菌K. olearia TBF 19.5.1T的糖酵解和脂肪酸合成等中心代谢途径、无机离子转运与辅酶合成途径、核糖体蛋白的合成途径等代谢活跃；编码氧化还原酶的基因ahpC, trx, prx, rd, rbr显著上调表达可能是影响二者的氧耐受性的原因。.（2）O2对K. olearia TBF 19.5.1T的生长和代谢具有显著的抑制作用，且抑制作用随胁迫强度的提高而加剧；K. olearia TBF 19.5.1T可以还原ROS，缓解细胞内的氧化压力。.（3）TBF 19.5.1T通过调整核心代谢和能量转化等方式平衡细胞内的氧化还原能力。包括下调表达糖酵解、丙酮酸和丁酸代谢、脂肪酸合成、碳水化合物转运，诱导参与电子传递、半胱氨酸和维生素合成、无机离子转运等基因上调表达。.（4）K. olearia TBF 19.5.1T利用四种途径抵御氧胁迫：①利用氢酶和细胞色素c清除周质空间的O2；②利用氧化还原酶清除细胞质ROS，包括AphC, AphF, TrxB, Dfx, Grx, Prx；③利用SOS系统修复损伤DNA；④采用Suf系统增强蛋白质Fe-S簇的合成及修复损伤蛋白质。.（5）首次通过体外实验证实TrxR具有过氧化物还原能力。.本研究首次构建了氧耐受性最强的热袍菌K. olearia TBF 19.5.1T应答和抵御氧胁的模型，系统反映了氧胁迫下的核心代谢、电子传递、ROS清除及DNA和蛋白质的损伤修复过程，进一步深化了热袍菌响应氧胁迫的机制的认识。