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深渊严格嗜压菌细胞分裂过程对高静水压极端环境的适应机制研究

批准号:
42076127
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
张维佳
学科分类:
生物海洋学与海洋生物资源
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张维佳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
细菌细胞分裂是一项需要数十个蛋白协作完成的复杂生物过程。有研究称,细胞骨架蛋白FtsZ在高压条件下无法聚合形成关键的Z环结构,是阻碍压力敏感菌在高压条件下进行细胞分裂的主要原因。而深渊微生物如何能够在高压环境下实现细胞分裂,目前仍未可知。我们在前期工作中发现,不同于压力敏感菌,深渊严格嗜压菌的FtsZ蛋白具有更高的压力耐受性,可在高压条件下聚合。基于此,本项目将采用自主研发的高压原位观察及化学固定装置,通过体外和体内功能实验,鉴定严格嗜压菌FtsZ蛋白中影响其压力耐受性的关键氨基酸位点,并分析其作用机理。同时,系统分析高压对细胞分裂不同环节关键蛋白的表达和功能的影响,阐明是否存在其他因素抑制了高压条件下的细胞分裂。综合上述研究结果,探讨深渊微生物的细胞分裂过程对高静水压环境的适应机制。本研究将有助于加深对细胞分裂这一基本生命过程的认识,为揭示深渊极端生境下的生命特征做出重要贡献。
英文摘要
Bacterial cell division is accomplished through coordinated function of over three dozens of proteins. The Z-ring constituted mainly by cytoskeleton protein FtsZ is indispensable for this process. It has been reported that E. coli cells failed to divide under high hydrostatic pressure (HHP) conditions as a result of disassociated FtsZ filaments and lack of Z-ring structure. Yet, microorganisms inhabiting at hadal environment are capable of dividing under extreme HHP condition, and the mechanism behind the pressure resistant cell division remains unknown. Our preliminary results showed that, the FtsZ protein from a hadal obligate piezophilic strain had higher pressure stability and polymerized into filaments under HHP conditions. In this project, by using recently developed high pressure in situ observation and high pressure fixation apparatus, we aim to identify and characterize the amino acids that affect the pressure tolerance of FtsZ protein through in vitro and in vivo analyses. The influence of pressure on the expression and localization of proteins involved in cell division will be analyzed, in order to understand if factors other than the instability of FtsZ filaments impeded Z-ring formation and eventually cell division under HHP conditions. Taken together, the mechanism of HHP adaptation of cell division will be discussed. This study will help deepen our understanding towards the fundamental cellular process of cell division as well as shed light on the distinctive life under extremely HHP environment at the bottom of trenches.
水深超过6000米且具有极高静水压力的深渊区是地球上最为独特的极端生境之一。阐明深渊微生物所特有的遗传、代谢特征,对于揭示生命适应极端高压环境的生存机理具有重要意义。本研究从细胞分裂这一所有生物生长繁殖必需的关键过程入手,应用先进的深海深渊样品采集、原位实验和高压模拟、多组学分析技术,分别从纯培养菌株和深渊环境样品出发,解析了细胞分裂关键蛋白的高压适应分子特征,不同微生物类群细胞分裂过程对高压环境的响应,以及深渊活跃微生物的代谢功能和极端环境适应机制。.通过分析细胞骨架蛋白FtsZ的胞内定位和聚合体结构稳定性,我们发现深渊细菌来源的FtsZ具有更高的压力适应性,其N端GTPase结构域和其中的5个氨基酸位点在该蛋白适应高压环境中发挥关键作用。通过对深海热液来源细菌菌株的分析,我们首次发现红外光能够解除高压对其细胞壁合成的抑制作用,进而促进细菌在高压条件下分裂和生长,揭示了细菌适应高压极端环境的一种新机制。利用自主搭建的深海原位微生物标记装置和高压荧光探针标记方法,发现深渊沉积物中Pseudomonas的生长分裂对高压敏感,而Brevundimonas等类群对高压环境有较强的耐受性。利用大体积原位过滤样品开展了宏基因组指导的宏蛋白组分析,构建了首个深渊底部活跃微生物蛋白质数据集。细胞分裂相关蛋白的分析证实高丰度异养微生物类群在深渊底部能够分裂和生长。同时,宏基因组分析揭示抵御重金属和氧胁迫、合成渗透压保护剂、利用CO、芳香族化合物和D型氨基酸生长等功能对于深渊底部微生物至关重要。.综上所述,本研究阐明了生物体在高静水压环境下实现细胞分裂的分子机制,揭示了深渊环境中的活跃微生物类群及其对深渊极端环境的适应策略,为深入理解微生物在深渊底部物质循环和能量传递中的贡献提供了重要信息。
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