沙漠核爆区微生物新型RNA伴侣蛋白Csp相关功能域研究

Csp (Cold shock proteins), as RNA chaperone, plays an important regulatory role in diverse cellular processes which aids adaptation to stress. The aromatic residues which arranged on RNP functional domain determine the specific regulatory function of Csp on post-transcriptional level. Previous studies shows that a specific Csps clade which share a novel RNP domain from high-nuclear-radiation metagenomes. Heterologous expression of the novel Csp can significantly enhance the tolerant ability of Deinococcus radiodurans to gamma-radiation and oxidative stress. However, little is known about the mechanism to stress response modulated by these novel Csp. In this study, we analyze the activity site of novel functional domain on Csp which comes from nuclear-explosion-area-metagenomes by homology modeling method. Then, combined the technology of site-directed mutagenesis with Deinococcus heterologous expression system, identify the function of Csp novel functional domain. Finally, we compare the expression of stress resistance genes to understand the novel Csp mediated regulated mechanism in response to nuclear radiation stresses. The results of this study may provide us with valuable insights into the fundamental mechanisms for Csp modulated stress response systems, and help to deeply understand the adaptive revolution mode in radiation-resistant organisms.

Csp在微生物抵抗辐射、氧化等逆境胁迫应答中发挥重要调控作用，其RNP功能域上芳香族氨基酸残基决定转录后调控功能的特异性。前期对沙漠核爆区土壤微生物宏基因组数据分析发现一类具有独特氨基酸组合RNP功能域的新型Csp聚类分支，其中一条序列源于异常球菌属菌株。异源表达分析显示该蛋白能回补耐辐射异常球菌Csp突变株功能，并显著提高重组菌电离辐射和氧化胁迫抗性，但具体调控机制未知。本项目首先通过同源建模，分析核爆区Csp的新型功能域活性位点；随后结合氨基酸定点突变技术及异常球菌异源表达系统对Csp新型功能域进行鉴定；最后通过相关抗逆功能基因表达分析，研究新型Csp在电离辐射胁迫中的调控作用。本项目对核爆区新型Csp在微生物特异性电离辐射应答体系功能展开研究，为阐明在微生物电离辐射胁迫应答调控机制、微生物适应性进化方式和发掘应用前景的抗逆基因积累理论基础。

分子伴侣蛋白Csp在微生物抵抗低温、氧化、辐射、干燥等逆境胁迫应答中发挥重要生物学功能。Csp蛋白序列的RNP功能域上芳香族氨基酸残基的种类和数量决定其转录后调控功能的特异性。宏基因组数据分析发现，沙漠核爆区土壤微生物具有一类独特Csp聚类分支，这些Csp的RNP功能域含有新型的氨基酸组成方式。本项目对该类具有新型RNP功能域Csp的功能与调控机制展开深入研究。取得研究结果如下：.1. 异源表达分析显示这类Csp蛋白能回补耐辐射异常球菌Csp突变株功能，并显著提高重组菌电离辐射和氧化胁迫抗性。同源建模分析显示，核爆区Csp的新型功能域活性位点RNP2功能基序。.2. 利用CodonW软件分析核爆区新型Csp基因密码子使用特性进行分析，结果显示核爆区新型Csp基因选择多种同意密码子，密码子偏性较弱。基因编码倾向于使用腺嘌呤A和胸腺嘧啶T，以U或A结尾的密码子出现频率较高.3. 通过氨基酸定点突变技术及异常球菌异源表达系统对Csp新型功能域进行鉴定。结果显示Csp 蛋白RNP2 中关键芳香族氨基酸残数量、位置种类对Csp 的调控功能至关重要。MST小分子相互作用结果表明，RNP2功能基序中第二、三位芳香族氨基酸残基连续排布显著提高其与靶标mRNA的结合能力，进而调高Csp蛋白的保护功能。.本项目对核爆区微生物新型Csp在调控功能展开研究，为阐明在微生物电离辐射胁迫应答调控机制、微生物适应性进化方式和合成生物学抗逆元件优化积累理论基础。