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中度嗜盐菌能适应很宽的盐浓度范围,具有特殊的遗传特性和代谢机制,其中钠离子输出系统在维持细胞正常的盐浓度和pH稳态等生命活动过程中扮演十分重要的角色。本研究以大肠杆菌Na+/H+逆向转运蛋白基因缺陷株EscherichiacoliKNabc为宿主,通过功能互补方法,从革兰氏阳性中度嗜盐菌达坂喜盐芽孢杆菌(Halobacillusdabanensis)D-8克隆得到两个新基因,即一个Na+/H+逆向转运蛋白基因nhaH和一个初级钠泵基因nap。其中,nhaH预测编码含403个氨基酸、具有12个推测跨膜区的蛋白,与枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)中的Na+/H+逆向转运蛋白NhaG存在最高(54%)的同源性。nhaH能增强KNabc菌株对NaCl和碱性pH的抗性。携带nhaH基因的KNabc菌株具有pH依赖性的Na+/H+和Li+/H+逆向转运蛋白活性,其活性的最适pH分别为9.0和8.5。nhaH是从中度嗜盐菌中获得的第一个Na+/H+逆向转运蛋白基因。nap基因编码的蛋白与蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)的NADH脱氢酶有56%的同源性,与耐盐芽孢杆菌(Bacillushalodurans)的NADH氧化酶存在55%的同源性。携带nap基因的大肠杆菌(E.coli)KNabc对解偶联剂碳酰氰化物对氯苯腙(CCCP)具有抗性,由其制备的反转膜具有次级Na+/H+逆向转运蛋白活性。同时,nap还能增强E.coli呼吸链缺陷株ANN0222在碱性条件下的生长能力。以上结论表明,Nap具有初级Na+泵和次级Na+/H+逆向转运蛋白的双重特性。迄今为止,在分子水平上,还没有关于极端微生物初级Na+泵的研究报道。
采用PCR方法,敲除编码NhaH蛋白C末端亲水区域9个氨基酸的27个碱基后,所获得的nhaH△C互补KNabc的能力明显低于nhaH。NhaH△C的Na+/H+和Li+/H+逆向转运蛋白活性明显低于NhaH,而且Na+/H+逆向转运蛋白的活性向酸端偏移,表明NhaH蛋白C末端亲水区与活性和pH感应均有关。
对NhaH跨膜区保守的6个带电荷残基(D、E和R)以及位于TMⅢ-TMⅣ之间的2个H进行定点突变。耐盐性实验表明,携带D137A、D166A、R325A、D137AR325A和D166AR325A5种突变质粒的E.coliKNabc菌株不能在含0.2MNaCl的LBK培养基上生长,其余突变质粒互补E.coliKNabc的能力与突变前无明显区别。活性测定结果表明,由突变质粒D137A、D166A、R325A、D137AR325A以及D166AR325A转化的KNabc菌株丧失了Na+(Li+)/H+逆向转运蛋白活性;而由突变质粒D137E、E161N、D166E、D224A以及D224E转化的KNabc菌株,其Na+(Li+)/H+逆向转运蛋白活性降低,对应于Na+和Li+的Km值分别增加5-9倍和2-l0倍,D166E的活性还向碱端偏移,说明这些残基与阳离子的结合和转移有关;E229K的Na+/H+逆向转运蛋白活性正常,而Li+/H+逆向转运蛋白活性则上升;由突变质粒H87A、H88A和H87AH88A转化的KNabc菌株,其Na+(Li+)/H+逆向转运蛋白活性正常,但均向酸端偏移0.5个pH单位,表明H87和H88参与质子的结合和pH调控。