菌株Pigmentiphaga sp. H8中4-羟基苯甲酸羟化酶基因冗余赋予宿主的选择性优势
批准号:
32070091
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈凯
依托单位:
学科分类:
微生物与环境互作
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈凯
中文摘要
遗传冗余是生物界的普遍现象,揭示其赋予宿主的选择性优势是生物学研究的热点。然而,学术界对污染物降解基因冗余的研究极少,对其赋予宿主的选择性优势知之甚少,制约了人们对微生物应对复杂污染环境的适应性进化的认识。本项目以生物界普遍存在且具有重要生理功能的4-羟基苯甲酸羟化酶基因作为研究对象,揭示菌株Pigmentiphaga sp. H8中3个冗余的4-羟基苯甲酸羟化酶基因编码酶的酶学特性差异、代谢功能多样性及其赋予宿主的代谢鲁棒性,阐明冗余的4-羟基苯甲酸羟化酶基因赋予宿主应对卤代羟基苯甲酸复合污染的选择性优势;揭示3个4-羟基苯甲酸羟化酶基因的转录调控机制,比较冗余基因在紧缩调控和非紧缩调控下宿主适应性成本的差异,阐明基因紧缩调控在抵消宿主适应性成本中的作用。本项目预期成果将进一步阐释微生物在复杂污染环境下的适应性进化策略,为“遗传冗余赋予宿主选择性优势”的理论提供新的证据。
英文摘要
Genetic redundancy is prevalent in organisms, and its selective advantages brought to hosts have caused great interests of many biologists. However, few studies on the redundancy of pollutant-catabolic genes have been investigated and its selective advantages are still unclear, hindering the understanding of the adaptive evolution of microorganisms to complicatedly polluted environments. p-Hydroxybenzoate hydroxylase gene is prevalent in organisms and has important physiological and metabolic functions. In this project, we will reveal the differences of enzymatic characteristics, the diversity of metabolic functions and the metabolic robustness of the enzymes encoded by the three redundant p-hydroxybenzoate hydroxylase genes in Pigmentiphaga sp. H8, and clarify the selective advantages of the redundancy of these three genes to the host especially in environments complicatedly polluted by halogenated hydroxybenzoates; reveal the transcriptional regulation mechanisms of the three p-hydroxybenzoate hydroxylase genes, compare the fitness cost of the host under constrictive regulation and non-constrictive regulation of these genes, and clarify the effect of the constrictive regulation of these genes on the host to offset the fitness cost of genetic redundancy. The outcomes of the project will further explain the adaptive evolution strategy of microorganisms in the complicatedly polluted environment, and provide new evidence for the theory of "genetic redundancy gives selective advantages to host".
遗传冗余在生物多样性进化和对环境扰动的适应中起着重要作用。然而,它在克服结构类似物引起的代谢紊乱中的选择优势尚不明确。在菌株Pigmentiphaga sp. H8中,发现了三个功能差异的4-羟基苯甲酸-3-羟化酶(PHBH)基因,其中phbh1/phbh2负责3-溴-4-羟基苯甲酸(3-Br-4-HB,人造污染物)的代谢,而phbh3主要负责4-羟基苯甲酸(4-HB,木质素的天然中间体)的代谢。3-Br-4-HB通过竞争性结合PHBH3抑制4-HB代谢,且在高浓度下对宿主细胞有毒。phbh1/phbh2的存在不仅使菌株H8能够代谢和利用3-Br-4-HB,而且保障4-HB的代谢安全性。分子对接和定点突变实验表明,PHBH1/PHBH2中Val199和Phe384是3-Br-4-HB羟基化活性所必需的。LysR型转录调节因子BhbR1激活phbh1pcaApcaBorf404转录。DNase I足迹分析表明,诱导剂3-Br-4-HB的存在缩短了启动子中BhbR1的结合区,暴露受保护的-35盒,从而激活转录。MarR家族转录调控因子BhbR2不同于经典的阻遏型调控蛋白,它激活phbh2pcaB2pcaA2转录。BhbR2在启动子中结合一个17 bp的不完美回文序列(TTGATT-N5-AATCAA)。有趣的是,3-Br-4-HB的存在并未使BhbR2与启动子分离,也未改变其结合位点,暗示了一种新的调控模式。在响应不同浓度3-Br-4-HB时,BhbR1和BhbR2激活操纵子转录的趋势是一致的,但在高浓度(>480 μM)下都显示出激活效应的显著减弱,突显了冗余的3-Br-4-HB代谢操纵子及其调控基因的必要共存。这项研究加深了我们对原核生物中遗传冗余赋予宿主代谢鲁棒性的理解。此外,还阐明了菌株H8中两个冗余3-Br-4-HB代谢操纵子的不同转录调控机制,扩展对增强适应性的转录调控多样性的认识。
遗传生物强化中广宿主代谢质粒pDCA-1的流行规律与高效修复机制
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批准号:32370126
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:陈凯
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依托单位:
菌株Pigmentiphaga sp. H8中4-羟基苯甲酸羟化酶基因冗余赋予宿主的选择性优势
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:陈凯
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依托单位:
卤代芳烃代谢质粒pBHB与宿主Comamonas sp. 7D-2的补偿性进化机制
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批准号:31870095
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2018
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负责人:陈凯
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依托单位:
菌株Pigmentiphaga sp.H8对3,5-二溴-4-羟基苯甲酸的降解及脱溴机制
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批准号:31400105
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2014
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负责人:陈凯
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依托单位:
国内基金
海外基金