深海超嗜热嗜压古菌CH1环境适应性机理研究

Pyrococcus yayanossi CH1 is the first strict-piezophilic hyperthermophilic archaeon (>120℃, >150 MPa) isolated from a sample collected in deep-sea hydrothermal vent. Survey of the mechanisms of environmental adaptation of CH1 will shed light on the limit of life in the aspect of temperature and pressure. Facultative piezo-tolerant mutant and gene knockout vector of CH1 were developed. Such genetic manipulation system enables functional genomic studies in CH1. The formate assimilation pathway was found to be upregulated under high hydrostatic pressure. Further more, knockout the gene cluster generated a mutant strain that sensitive to high hydrostatic pressure. The results suggested that formate respiration play an important role in the survival under high hydrostatic pressure. Dissection of the large fragment including formate assimilation, Coenzyme F420-reducing hydrogenases, membrane-bounded hydrogenases by disrupting each gene and physiological characterization of the mutant strains will test the function of each multienzyme complex. Comparative genome and transcriptom analysis, combined with flux balance analysis of CH1 and its mutant under different temperature and pressure conditions will give clues to the function of the genes that cope with the high hydrostatic pressure. An integrated metabolic network model that emphasizes energy conservation and viability will help to understand the mechanisms of environmental adaptation in the piezophilic hyperthermophilic archaeon.

超嗜热嗜压古菌Pyrococcus yayanosii CH1是从深海热液烟囱样本中分离出的世界上第一株严格嗜压的高温古菌，研究该菌株的环境适应性机理对了解生命耐受的温度压力极限具有重要意义。从野生型菌株CH1出发已获得了兼性嗜压突变株，并构建了遗传操作系统；转录组分析发现在高压培养条件下CH1中甲酸盐代谢基因簇显著上调，敲除该基因簇则可获得压力敏感型突变菌株，暗示甲酸呼吸对菌株在高温高压下的存活具有重要意义。拟对缺失大片段中包括的甲酸盐转运和利用、辅酶F420氢化酶、膜结合氢酶等功能模块分别进行基因敲除，研究菌株在形态、细胞膜类酯及胞内相容性物质等方面的差异；通过比较组学研究、稳定同位素标记化合物示踪和代谢流平衡分析，构建代谢网络模型，确定甲酸呼吸及其关联的能量代谢途径对环境适应性的影响。本研究综合运用分子遗传操作和深海环境模拟技术，有望从能量代谢角度阐述超嗜热嗜压古菌的环境适应性机理。

超嗜热嗜压古菌Pyrococcus yayanosii CH1是从深海热液烟囱样本中分离出的世界上第一株严格嗜压的高温古菌，研究该菌株的环境适应性机理对了解生命耐受的温度压力极限具有重要意义。利用甲酸为唯一碳源的产氢呼吸途径仅见于深海超嗜热古菌Thermococcus和Pyrococcus. yayanosii中，以甲酸代谢基因簇（Fmr）对环境的响应为切入点，取得了以下研究成果：.（1）从野生型菌株CH1出发获得了兼性嗜压突变株A1。通过全基因组测序发现A1菌株中突变的基因主要与细胞周期调控、鞭毛的合成以及芳香族氨基酸的转运相关。.（2）比较转录组分析发现，在高压（52 MPa）培养条件下，CH1中甲酸盐代谢基因簇（Fmr）显著上调，敲除该基因簇则可获得压力敏感型突变菌株。中断A1菌株的Fmr基因簇后，突变株中大量积累甲酸，其0.1 MPa的生长也受到限制。膜结合态氢酶复合体Mbh以及胞质内氢酶复合体SHI参与了Thermococcales微生物的能量代谢，中断A1菌株的Mbh和SHI基因簇后，突变株中也积累甲酸，表明Mbh和SHI复合体也参与了A1菌株的甲酸代谢。.（3）比较转录组分析发现，在常压（0.1 MPa）培养条件下，A1菌株中与IMP合成途径相关的基因转录下调，而与甲酸代谢及能量转换相关的氢酶的编码基因则转录上调。该结果暗示，A1中参与IMP合成代谢的甲酸被分解产能以适应低压的胁迫环境。而对CH1在15 MPa和52 MPa压力条件下的转录组分析发现，其在低压（15 MPa）胁迫条件下，不能有效的调节甲酸由参与IMP合成向氧化产能转换。.（4）甲酸既是代谢过程中的重要中间代谢产物，也是一些超嗜热微生物肌苷（IMP）合成途径中的一碳单元。对IMP合成途径和甲酸氧化途径相关基因的启动子区域分析，发现IMP生物合成途径中的多个基因的上游区域，存在有一个保守的motif。通过磁珠富集获得了可以与该motif结合的转录因子(PTF)。.（5）综合转录组和蛋白组分析结果构建了A1菌株中甲酸代谢受压力调控的可能模型。