细菌脂滴蛋白的定位保守性及功能研究

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脂滴是一种分布极其广泛的细胞器,可存在于细菌、古菌和所有真核细胞中。它是细胞中一种以中性脂为核心、单层磷脂膜和外周蛋白包被的球状结构。其单层磷脂膜的特殊性使其区别于其他膜质细胞器,并且一些外周蛋白也会特异的定位在脂滴上。然而,目前脂滴蛋白的定位机制并不清楚。另外,虽然近年来的脂滴蛋白质组学预示脂滴可能具有多种功能,但除参与脂质储存与代谢外,目前对其他的功能了解的仍很少。针对这两方面问题,本研究以细菌为模型,研究了细菌脂滴蛋白的保守性和定位方式,及细菌脂滴在核酸调控方面的功能。  首先对红球菌RHA1(Rhodococcus jostii RHA1)中脂滴的主要蛋白进行分析,寻找能定位在人源细胞Huh7的脂滴的蛋白。通过GFP融合蛋白的定位筛选,发现一个脂滴蛋白RHA1_ro05869既能特异在RHA1脂滴上也能特异定位在Huh7脂滴上,将其命名为MLDQ(microorganism lipid droplet quarry)。并通过截断体实验发现,能使MLDQ特异且跨物种定位脂滴的是两个双亲性α螺旋结构。另外也发现,线虫脂滴的常驻蛋白MDT-28也能采用同样的结构特异定位在RHA1和Huh7脂滴上。并且这两个蛋白的两个双亲性α螺旋结构也都能在体外定位到脂滴类似结构脂肪体(adiposmes)上,说明细菌脂滴蛋白会利用与真核脂滴蛋白相同的结构跨物种定位脂滴,表明细菌常驻脂滴蛋白与真核常驻脂滴蛋白的结构保守,暗示了原核脂滴与真核脂滴的结构保守性。并进一步支持用细菌作为模式生物研究脂滴的可行性。  在对细菌脂滴功能的研究中,发现了细菌脂滴能结合和保护基因组DNA并能参与基因的转录调控。通过分析RHA1脂滴蛋白质组数据,推测脂滴与基因组DNA有相互作用的可能性。从其主要蛋白MLDS(microorganism lipid droplet small)入手,通过显微观察实验和分子生物学实验,确定脂滴通过MLDS结合基因组DNA。然后分析了MLDS序列结构并用实验证实,该蛋白是通过其N端定位在脂滴上而通过C端结合DNA。另外还发现了一个具有相似结构的蛋白JLP(Jabba like protein),但该蛋白只能分别结合脂滴或DNA,而不能将DNA结合到脂滴上。这从侧面说明MLDS对脂滴与基因组DNA相互作用的特异性和重要性。MLDS调节的脂滴结合DNA能保护基因组避免其在极端条件下的损伤,如极低氮源或紫外照射条件等。MLDS的敲除或低氮条件下的表达升高都会影响DNA在脂滴上的定位,因此MLDS的表达应受到严格调控。实验发现MLDS的表达会受到与其基因在同一个操纵子上的转录调控因子的正向和负向调节,将该转录调控因子命名为MLDSR(MLDS regulator)。分子生物学实验确定了MLDSR的DNA结合序列,并发现其能通过结合该操纵子的启动子和操纵基因来调节MLDS的转录,并且胞浆中高浓度或低浓度的MLDSR能分别负向或正向调控转录。另外,GFP融合蛋白定位实验和生化实验证实MLDSR也是一个脂滴定位蛋白。通过将其逐步截断发现MLDSR的脂滴定位区域与DNA结合区域重叠,暗示了可能存在的竞争。体外实验证实MLDSR能竞争性的与脂滴或DNA结合,而且脂滴定位的MLDSR会失去结合DNA的能力,从而失去转录调控活性。因此脂滴能通过调节MLDSR在溶液中的浓度参与MLDSR的转录调节功能。MLDSR对MLDS表达的调节最终会影响基因组DNA与脂滴的相互作用以及细菌对极端条件的响应。这些结果说明细菌脂滴具有结合、保护及调节核酸的功能。而这也正是真核细胞中细胞核的主要功能,表明细菌脂滴发挥了一种类似真核细胞的核膜作用。另外,由于真核细胞中脂滴也具有与细胞核交流的能力,因此暗示脂滴参与核酸调节的功能是从原核到真核都保守的。  综合上述两部分研究,发现无论是脂滴的蛋白定位结构,还是脂滴在调节核酸方面的功能,都有可能是从细菌到人都保守的。从而暗示脂滴可能是一个从原核到真核进化上保守的细胞器。因此对脂滴的研究也能为研究膜质细胞器的进化提供新的思路。
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