趋化受体MCP2201介导的趋化激活和抑制的机理研究

The mechanism how bacterial chemoreceptors work is one of the most interesting questions in the study of molecular biology, microbiology and so on. Based on chemoreceptors binding ligand or not, some two-state transmembrane signaling models, e.g. rotation and piston models, have been proposed. In our previous study, bacterial chemoreceptor MCP2201 existed in three different states, i.e., ligand-free, attractant-bound inhibitor-bound forms, and was classified to chemoreceptor clusters of orthologous groups 2 (COG2). COG2 need a potential chemoreceptor array adaptor protein CheV to function optimally, lack of enough study, and significantly distinguished itself from those well-studied chemoreceptors, such as Tar and Tsr. We determined the ligand binding domain (LBD) of MCP2201 in its ligand-free form, which exists as a dimer similar to LBD of Tar and Tsr. Strikingly, the attractant-bound LBD exists as a trimer that has never been reported. Further, we found that MCP2201 could present different oligomeric organizations in three states. These results indicate that MCP2201 represents a class of chemoreceptors with novel mechanisms, which may transduce signals via the alternation of LBD oligomerization. Here, we plan to study the conformational change, CheA kinase activity regulation, methylation levels and so on of MCP2201 in three states via biophysical, biochemical and structural assays, to reveal the transmembrane signaling mechanism and movement regulation mechanism and to explore the common mechanism between MCP2201 and other well-studied chemoreceptors.

细菌趋化受体的机制研究是分子生物学和微生物学最为活跃的领域之一。基于趋化受体结合配体前后的双状态，研究人员提出了一系列跨膜信号传递的双状态或动态模型。我们针对具有天然、吸引剂结合和抑制剂结合三种状态的趋化受体MCP2201的研究表明其属于与连接蛋白CheV的分布关联且研究较少的COG2群体，显著区别于研究较多的双状态的Tar等。晶体结构显示其配体结合域天然状态具有与已知趋化受体相同的二聚组装，但其与吸引剂的复合物呈现一种新颖三体结构。进一步我们发现其三种状态均呈现不同的寡聚组装。这些结果表明MCP2201代表一类具有新机制的受体，可能通过配体结合域寡聚组装的变化将不同化学物质的信号传递至胞内。我们拟利用生物物理、生物化学、结构生物学等研究MCP2201全长或结构域多种状态的构象和性质差异，揭示其介导趋化的分子机制和信号途径，进而探索与其他趋化受体信号传递机制的共性。

细菌的趋化性能够帮助细菌适应快速变化的环境，获得有限的营养并在生态系统中占据有利生境，在细菌致病、生物被膜、生物修复以及共生体（比如根瘤）形成中都发挥了重要的作用。细菌趋化运动由位于细胞膜上的趋化受体阵列感受外界信号，并将信号传递至胞内调控细菌鞭毛的转动进而完成对细菌运动的调控，这一过程是分子生物学和微生物学最为活跃的领域之一。国内外研究人员对趋化受体和相关阵列进行了持续的研究，基于趋化受体结合配体前后的双状态，提出了一系列跨膜信号传递的双状态或动态模型。但是当前大多数研究基于趋化吸引剂与趋化受体的作用来开展研究，关于趋化排斥剂的研究相对较少，且几乎没有趋化抑制剂的研究。在前期完成了鉴定丛毛单胞菌趋化受体MCP2201趋化吸引剂为柠檬酸以及确定其相互作用机制的基础上，我们在本研究中确定苹果酸为趋化受体MCP2201的趋化排斥剂，首次测定了趋化受体与趋化排斥剂的复合物结构。此外，我们发现趋化受体MCP2201存在一类以丙二酸为代表的趋化排斥剂，这次首次发现趋化受体存在天然的趋化抑制剂。针对具有天然、吸引剂结合和抑制剂(或排斥剂)结合三种状态的这一独特的趋化受体MCP2201，我们综合利用生物化学、分子遗传学、结构生物学等技术手段，研究MCP2201全长或结构域多种状态的构象和性质差异，阐释了趋化受体MCP2201识别不同类型小分子信号并转导产生不同类型信号的机制，并揭示其介导趋化的分子机制和信号途径，进而探索了其与其他趋化信号传递机制的共性。本课题对MCP2201结构的深入研究以及对MCP2201趋化排斥、趋化抑制机制的探索可以充实对整个趋化受体领域的认知，更进一步阐明细菌有望实现利用有限的趋化受体通过响应TCA循环中间产物达到对多种芳香化合物的降解，这种识别机制也有助于阐明环境微生物利用有限受体识别有限效应物进一步达到对大量各种各样化合物进行响应的机制。