转抗辐射总体调控基因irrE大肠杆菌的耐盐性及转录谱分析

【摘要】： 耐辐射异常球菌(Deinococcus radiodurans)R1具有超强的电离辐射抗性和干燥抗性。IrrE是该菌的DNA损伤修复的总开关蛋白,并且蛋白组学研究显示该蛋白还具有总体调控胁迫响应、能量代谢、转录调控、信号传递等作用。除了IrrE能有效提高大肠杆菌的辐射抗性和氧化抗性外,我们发现IrrE还能够增强大肠杆菌的抗逆性能以及植物的耐盐能力。本研究以模式生物大肠杆菌(Escherichia coli)作为研究对象,分析IrrE异源表达对提高E. coli非生物逆境耐受性的作用,利用E. coli全基因组芯片分析IrrE对E. coli在正常生长及盐冲击条件下全基因组转录调控的影响。(1)IrrE能提高E. coli在UV辐射、氧化、高温、酸性pH、高渗透压胁迫,特别是高盐胁迫下的耐受性。在含有0.65M NaCl的M9培养基和含1M NaCl的LB培养基中,携带空质粒的对照菌株不能生长,而携带irrE基因表达载体的菌株能良好生长;同时,电镜观察显示表达IrrE的菌株在盐胁迫和盐冲击下细胞结构基本完整,而对照菌株的细胞结构严重受损。Biolog结果显示,较对照菌株IrrE表达菌株的代谢谱发生明显变化。 (2)利用全基因组芯片研究比较正常生长条件和盐冲击下IrrE表达菌株和对照菌株的表达谱。正常生长条件下,IrrE引起E. coli差异表达的基因有441个,其中307个基因表达上调,134个基因表达下调;另外,5个小分子RNA表达上调,1个小分子RNA表达下调。在1M NaCl冲击60min后,IrrE引起E. coli差异表达的基因有IrrE导致了654个基因表达上调,240个基因表达下调;9个小分子RNA表达上调,2个小分子RNA表达下调。这些差异表达基因主要分为如下几类:代谢相关(如serA、aidB、aceAB等),转运和膜相关(如proP、slp、mscL等),调控(如evgA、yhiE、yedO等),胁迫响应(如bfr、dps、katE等),DNA重组及修复(如recE、uvrC、mutL等)。其中,DNA重组及修复相关表达上调的基因如uvrC和mutL在UV辐射中保护E. coli起重要作用。胁迫响应基因katE在氧化胁迫中发挥保护作用。正常条件下参与谷氨酸型抗酸支路的调控和功能基因yhiO、evgA、yhiE和gadABC表达均上调,可能与IrrE增强E. coli的抗酸性有关。正常生长条件下,受IrrE诱导上调基因中有为71个RpoS依赖型基因,这些基因包括了海藻糖合成酶基因otsAB和谷氨酸型抗酸体系基因gadABC和yhiO以及其他胁迫响应基因bfr、dps、katE和osmBC,这些基因编码的蛋白通常在E. coli胁迫反应中发挥重要的生理作用,推测与IrrE提高E. coli对多种胁迫抗性有关。 (3)IrrE的表达不仅导致高盐诱导的海藻糖合成相关基因otsAB表达上调还促进了海藻糖降解相关基因treBC表达下调,暗示在IrrE的作用下细胞内海藻糖积累,盐冲击下甘油降解支路的相关基因表达下调,可能导致细胞内渗透性保护物质甘油的积累。此外,相对于对照菌株中在高盐条件下受抑制的代谢、膜转运系统的基因(如purN、fliO、flgH等),受IrrE诱导表达上调。上述结果表明IrrE可能作为一个全局性调控蛋白增强E. coli的耐盐性。