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甲烷是重要的绿色能源，又是重要的温室气体。产甲烷菌是目前唯一已知的产甲烷微生物，它们以甲烷为代谢终产物，是复杂有机物分解代谢的最终执行者，对地球生态及物质化学循环具有重要影响。产甲烷菌是严格厌氧微生物，属于第三生命域-古菌域，具有古菌特异的遗传和代谢方式，是解析基础生命科学问题及环境适应机制的模式物种。本实验室前期从清华大学厌氧污水处理器颗粒污泥中分离得到一个乙酸营养型产甲烷菌新种，竹节状甲烷鬃菌（Methanosaeta harundinacea）6Ac;发现该菌使用高丝氨酸内酯(AHLs)类群感效应信号分子，调控短杆状细胞转变成长丝状，并调控乙酸碳更多流向甲烷产生。这是首次报道的古菌群感效应调控现象。已知该菌的FilⅠ蛋白合成AHLs信号分子，但其关联的群感调控系统及调控机制未知。 本研究发现信号分子合成酶基因filI，与其共转录的filR2及相邻的filR1共同组成一个双组份信号系统(TCS)，存在磷酸信号传递。FilR1具有预测的新型DNA结合结构域，是典型的应答调控子。通过抗-FilR1蛋白抗体进行染色质免疫共沉淀，并结合PCR(ChIP-PCR)及定量PCR(ChIP-qPCR)检测，检测到FilR1在细胞中结合自身及filI-filR2操纵子的启动子区，说明此TCS存在自调控，符合群感效应调控系统特征。ChIP-PCR/qPCR还检测到FilR1结合的其他基因的启动子，包括乙酸产甲烷代谢的关键基因acs4和acs1、mtr、fwd及细胞形态相关的外膜蛋白omp基因。凝胶阻滞实验(EMSA)进一检测到FilR1结合自身启动子、filI-filR2启动子及上述甲烷关键酶及外膜蛋白基因启动子。E.coli异源体内双质粒报告系统也检测到FilR1对自身、filI-filR2及上述基因的调控作用。RNA降解可以调控转录本的稳定性及翻译，是基因表达的重要调控方式，对细胞的存活及环境适应至关重要。RNA降解受到一系列内切酶及5-3/3-5外切酶的调控。RNA降解机制研究多集中在细菌及真核生物，而古菌中所知甚少。生物信息分析发现，β-CASP核酸酶家族蛋白，包括细菌RNase J类及真核CPSF73类两大类蛋白在古菌中同时并广泛存在，且进化保守，暗示其在古菌RNA代谢及转录后调控过程中功能重要。本研究以嗜冷甲烷叶菌（Methanolobuspsychrophilus）R15中编码的mpy-RNase J和mpy-CPSF1为材料，表征它们生化特征。酶活分析发现，mpy-RNase J和mpy-CPSF1均同时具有5-3核酸外切酶和内切酶活性。这是首次发现古菌RNase J具有内切酶活性。实验发现mpy-RNaseJ的内外切活性均显著高于mpy-CPSF1。还探析了KH结构域对RNA结合能力及酶活的贡献。两类蛋白在E.coli体内的异源表达发现其对大肠生长的影响显著不同:过表达mpy-RNase J对E.coli BL21(DE3) plysS造成的生长下降显著大于mpy-CPSF1;差异转录组分析及5P Seq分析显示mpy-RNase J过表达菌株对比野生型菌株的差异表达基因及加工位点均多于mpy-CPSF1过表达菌株，进一步验证了两类蛋白之间的活性差异。 本研究解析了mpy-RNase J蛋白及其与RNA底物共结晶的结构。通过结构细节分析并结合大量的生化实验，揭示古菌RNase J蛋白发挥连续性外切核酸酶活性的分子机理：7ntRNA结合通道，发现其RNA结合通道可容纳7nt ssRNA分子；5末端识别，His384，Ser386和His388三个氨基酸组成的5单磷酸结合口袋(5p pocket)特异识别RNA的5末端；RNA锚定位点，证明RNA-1及+4位核苷酸（相对于被水解的磷酸二酯键，-1和+1位之间）被核酸酶特异识别并紧密结合，该位点对维持外切过程中的连续性切割重要；催化机制，发现底物依赖两个Zn的催化细节，首次发现活性中心的氢键网络并证实其对切割活性重要；RNA转位机制，由进化上保守的5p pocket及sandwich pocket（负责固定+2-+4位核苷酸的三明治状口袋）相协同，实现RNA底物在一轮外切切割完成后，在前（5末端）由5p pocket拉动(pull)，在后由sandwich pocket推动(push)，共同实现RNA分子往5端前进1nt，实现新一轮的外切反应;6）水解偶联的解链机制，首次发现RNase J类蛋白具有水解偶联的双链RNA解链活性，水解产生的能量推动RNA的转位，促进双链RNA在核酸酶的单链通道入口处通过的立体排阻效应而解链。通过解读细菌RNase J的结构数据，我们发现该连续性外切分子机制同样适用于细菌RNase J类蛋白，且对β-CASP家族其他类群相关机制的认知具有重要的引领作用;进一步分析发现，RNase J类蛋白与其真核生物中的同功能蛋白，真核5-3外切核酸酶Xrn1之间在进化上的策略相似性，尽管它们无任何序列及结构同源性，此外，水解偶联的立体排阻效应而导致的RNA解链机制也同样暴露了RNaseJ蛋白与真核Xrn1及其它3-5外切核酸酶在解链机制上的策略相似性，这些相似性诠释了“蛋白不同，策略相似”的进化原则。