放线菌特有蛋白的系统发育分析及特有蛋白之一SCO1997的功能鉴定

Actinobacteria is one of the most important microbial groups with great medical and economic significance. To date, the phylogeny and taxonomic framework of Actinobacteria phylum is mainly based on the sequence analysis of 16S rRNA gene. However, due to the limitation of 16S rRNA gene, it has proven difficult to delimit different taxonomic ranks of prokaryotes in definitive terms. Genome sequences provide rich resource for identifying molecular markers that are specific for different microbial groups and which can aid in understanding microbial phylogeny and taxonomy. We propose to study the phylogeny of Actinobacteria phylum by analyzing whole proteins that are limited to particular groups of organisms. These markers will be used to define and circumscribe different taxonomic ranks within Actinobacteria, and their distribution pattern in different species can be used to infer the evolutionary relationships of different clades. In this way, a more reliable and accurate phylogenetic framework will be achieved for the Actinobacteria phylum. Additionally, based on the protein structural information, we propose to carry out functional studies on one of the Actinobacteria-specific proteins SCO1997 to determine its functional relationship with 20S Proteasome, which is very important cellular proteolytic machine. The proposed project will provide novel molecular makers for understanding the phylogeny of Actinobacteria, and also the functional characterization of protein SCO1997 will shed light on the cellular role of Actinobacteria-specific proteins. Finally, the results from these two aspects will expedite our understanding and bioprospecting of the unique biological features of Actinobacteria.

放线菌是有重大医学和经济价值的微生物资源类群，目前放线菌门的系统分类框架主要依赖于对16S rRNA基因的序列分析。由于16S rRNA基因的局限性，没有明确的标准界定不同的分类单元，而且几大分支之间的进化关系也没有解决。基因组序列为寻找不同微生物特有的分子标记提供了丰富资源，可用来研究微生物系统发育与分类。本项目提出利用目前海量的基因组序列,寻找放线菌门下不同分类单元特有的蛋白序列,为不同分类单元的定义和划分提供新的分子标记,并根据它们的分布规律研究不同单元之间的进化关系，从而修订完善放线菌门的系统分类框架。并依据蛋白结构提供的线索对放线菌特有蛋白之一SCO1997进行功能鉴定，证实其功能是否与蛋白酶体这一重要的蛋白水解机器有关。本项目可为放线菌系统发育研究提供新的分子依据，并以SCO1997为例揭示放线菌特有蛋白在细胞中的功能，两方面的研究结果将加快对放线菌生物学特征的认知与功能应用。

本项目针对重要微生物资源类群-放线菌开展了比较基因组分析，寻找两种类型的基因组特征序列用来区分不同的分类单元，发现了放线菌门下分支较早的两个纲-酸微菌纲和嗜热油菌纲，以及双歧杆菌属所属分类单元特有的Signature Indels和Signature Proteins，为定义放线菌的这几个重要分支以及它们的亚组提供了新的分子标记。通过比较这些特征序列在不同分类单元中的存在或缺失，进一步揭示了放线菌门下这两个纲的不同分类单元的进化次序和亲缘关系，修订了放线菌的系统发育框架。此外，对放线菌特有蛋白SCO1997的功能研究，基于蛋白互作筛选、突变株蛋白质组和转录组分析、表型鉴定等结果确定SCO1997的功能与蛋白酶体水解无关。本项目为放线菌系统发育研究提供了新的分子依据，将加快对放线菌生物学特征的认知与功能应用。该项目工作内容共发表3篇SCI论文（均为II区文章），1篇中文核心期刊论文，全部标注面上项目资助。此外，项目负责人还以第一作者撰写了《放线菌系统分类技术》第七章节，完成预定的研究工作。本项目开展过程中，项目负责人获得了多项国家级及省级项目资助，包括1项自然科学基金面上项目以及广东省杰出青年基金。同时，也培养了年青人才，共毕业了1名博士，2名硕士，目前在读研究生5名，其中博士生莫然代表中国科学院大学参加了2019年在丹麦举行的“国际学生论坛”并做口头学术报告。