模式蓝细菌集胞藻中分子调控系统的解析

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５ａ博士学位论文一级学科化学工程与技术：学科专业：生物化工作者姓名：Ｍｔｌ指导教师：张Ｉ文教授天津大学研究生院２０１７年５月模式蓝细菌集胞藻中分子调控系统的解析FunctionsAnalysisofRegulatoryMoleculesintheModelCyanobacteriumSynechocystissp.PCC6803一级学科：化学工程与技术学科专业：生物化工研究生：裴广胜指导教师：张卫文教

2、授天津大学化工学院二零一七年五月摘要蓝细菌集胞藻（Synechocystis）由于以太阳能和CO2作为唯一的能源和碳源，广泛应用于生物燃料的合成。然而集胞藻内调控分子对集胞藻代谢途径的调控机制尚不明确，以及对生物燃料的耐受性较低限制了蓝细菌的进一步应用。除提高蓝细菌的光合效率，进一步解析集胞藻调控分子的功能，以及集胞藻对各种生物燃料毒性的耐受机制，构建蓝细菌生物燃料高耐受底盘是目前亟待解决的任务。双组分信号转导系统（TCSTS）作为集胞藻重要的一类调控因子，参与了具体对各类环境及中央代谢的调控。本研究通过构建44个响应调控因子

3、的突变株，并对这些突变株在自养和光混养条件下进行了代谢组学的系统分析。并发现若干个响应调控因子参与了集胞藻的生长代谢。借助共响应分析，我们发现参与中央代谢的化合物在自养和光混养条件下受到不同程度的交叉调控。最后结合系统发育的联合分析，发现调控因子对中央代谢的调控与进化水平具有显著的关联。为解析集胞藻对生物燃料的耐受机制，我们对集胞藻在不同生物燃料和自然胁迫条件下蛋白组数据的系统整合，构建了蛋白共表达和蛋白互作双色网络。通过网络拓扑结构分析，我们发现一些参与ROS响应途径、转运载体以及细胞通透性有关蛋白在网络中具有很高的拓扑属性

4、，说明这些途径在集胞藻应对生物燃料和环境胁迫发挥了重要作用。随后利用权重基因共表达网络，鉴定到多个蛋白模块与生物燃料胁迫发生特异响应，并发现这些蛋白集中于光合作用，叶绿素合成，细胞表面修饰等途径，说明集胞藻同时采用多种机制抵御生物燃料的毒性。由于sRNA调控系统能够同时对多个基因进行修饰，且具备快速响应、灵活精准调控、同时对菌体代谢影响弱，因为被认为是提高集胞藻生物燃料耐受性最有效的手段。通过对集胞藻的sRNA测序，共鉴定到133个trans-encodedsRNA，其中23个sRNA为首次发现。借助实验手段，我们发现当过表达

5、sRNAnc117，可以显著提高集胞藻对乙醇和丁醇的耐受性。靶基因预测和qRT-PCR验证显示该sRNA可能同时作用于多个与生物燃料抗性有关，如转运载体及与细胞壁等表面结构修饰相关的基因。该结果为将来利用小RNA分子改造蓝细菌底盘提供了重要技术可能。本论文对集胞藻两类最重要的调控因子：TCSTS和sRNA进行了系统生物学解析。研究发现多个TCSTSs参与了菌体自养和光混养生长的调控。此外，通过对集胞藻的sRNA及对生物燃料耐受机制的系统分析，鉴定到首个与生物燃料耐受有关的sRNA，这些结果对集胞藻分子调控系统的功能解析具有重要

6、意义。关键词：集胞藻；调控系统；小RNA；双组分系统；生物燃料；耐受IABSTRACTUnicellularmodelcyanobacteriumSynechocystissp.PCC6803hasbeenconsideredasapromisingmicrobialchassisforbiofuelproductionduetoutilizesolarenergyandCO2asthesoleenergyandcarbonsources.However,complicatedregulatorymechanismsinSyn

7、echocystisanditslowtolerancetobiofuelstoxicityhaverestrictedtheirpotentialapplication.Inadditiontoongoingeffortstooptimizetheexistingpathwaysandtodiscoverandconstructnovelpathways,oneoptiontoachievehighproductivityistoexploreregulatormoleculesinSynechocystis,andimpr

8、ovecellulartolerancetotoxicbiofuelproductsusingtranscriptionalengineeringapproach.Two-componentsignaltransductionsystems(TCSTSs)arewellkno