竹节状甲烷鬃菌群感效应调控机制

群感效应是细菌根据种群密度大小进行种内或种间信息交流，协调群体生物学行为的一种普遍调控方式。古菌中群感效应现象及调控机制目前鲜见报道。竹节状甲烷鬃菌6Ac是本实验室分离的一株产甲烷古菌新种，对污水处理器活性单位厌氧颗粒污泥的形成和维持起重要作用。我们的前期研究显示，该菌具有与细胞密度相关的细胞形态变化即群感效应现象，且通过多种分析及结构鉴定方法鉴定了该菌产生的群感效应信号分子为新结构的高丝氨酸内酯，但其具体的群感效应调控系统及调控机制尚不清楚。因此本课题拟探讨甲烷鬃菌6Ac的群感效应调控机制，包括以下三个内容：分析及鉴定菌株6Ac中存在的群感效应调控系统；揭示该系统所调控的关键基因；揭示该系统对相关基因的精细调控机制。目的是阐明甲烷鬃菌6Ac群感效应具体的调控机制，构建其调控网络。该研究对填补古菌群感效应研究领域的空白具有重要意义，也能为厌氧反应器的高效运行工艺提供重要的理论指导。

竹节状甲烷鬃菌6Ac存在细胞密度依赖的群感效应，即细胞密度依赖的细胞形态改变及甲烷代谢改变，为迄今为止古菌中首例发现的群感效应现象，对其调控机制的研究对于认知古菌群感效应具有重要意义。本研究工作首先通过生物信息学手段搜索到其可能的群感效应调控系统并命名为FilI/R系统，并通过体内染色质免疫共沉淀实验、体外凝胶阻滞实验及大肠杆菌异源体内报告基因实验共同验证了该调控系统中的直接效应蛋白FilR1存在自调控，并调控该系统中信号分子合成酶基因及该系统中的另一调控蛋白FilR2基因的表达，这表明FilI/R系统存在自调控；进一步的，我们通过转录组比较分析发现了群感效应所可能调控的目标基因，并通过体内染色质免疫共沉淀实验和体外凝胶阻滞实验，证明FilR1蛋白可以结合甲烷代谢途径关键基因acs1、acs4，mtr，fwd及细胞形态变化相关基因omp基因的启动子，并通过大肠杆菌异源体内报告基因实验证明FilR1蛋白能激活这些基因的表达，从而证明群感效应调控系统通过FilR1与甲烷代谢途径关键基因及细胞形态变化相关基因启动子的结合而实现其调控功能；进一步的，通过FilI/R系统的体外磷酸化及磷酸传递实验，我们进一步证明FilI/R群感效应系统是通过磷酸信号传递来发挥其调控功能，融合了革兰氏阴性细菌产生高丝氨酸类信号分子AHLs，并通过革兰氏阳性细菌的双组份信号系统工作机制即通过磷酸信号传递来发挥功能的双重特色。综上所述，我们解析了竹节状甲烷鬃菌6Ac的群感效应调控系统FilI/R，证明该系统存在自调控并可以调控甲烷代谢途径关键基因和细胞形态变化相关基因，从而调控菌株6Ac细胞形态变化及甲烷产量变化等重要生理表型，同时发现，该群感效应调控系统通过磷酸化信号传递方式来发挥其调控功能，融合了革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的共同特征。