鄧春浩 孫良昱 陳坤明

（西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100）

不同紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制異同

鄧春浩 孫良昱 陳坤明

（西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100）

紫細(xì)菌是一類可以進(jìn)行不放氧光合作用的原核微生物，可以利用光能產(chǎn)生ATP并為其生長代謝提供能量。其光系統(tǒng)由一系列色素及蛋白組成的復(fù)合體組成，并由一系列光合基因如puc、puf、bch和crt等編碼。紫細(xì)菌光合相關(guān)基因的表達(dá)主要受到外界氧化還原信號及光照的影響，然而不同紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制具有明顯的多樣性。以球形紅細(xì)菌與沼澤紅假單胞菌為重點，介紹了近年來幾種光合基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)如PpsR/CrtJ型調(diào)控蛋白、雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)、CRP-FNR型調(diào)控蛋白等在紫細(xì)菌中的研究進(jìn)展。通過系統(tǒng)深入分析這些調(diào)控通路在不同紫細(xì)菌中的特征及功能，發(fā)現(xiàn)不同菌株中類似調(diào)控通路通常具有相似功能，但又各具特點。旨為對進(jìn)一步了解紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制并為其應(yīng)用研究提供參考。

光合基因；球形紅細(xì)菌；沼澤紅假單胞菌；紫細(xì)菌

紫細(xì)菌是一類可以進(jìn)行不放氧光合作用的光合微生物，種類繁多，不同種類紫細(xì)菌的光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常類似，都主要由各種色素與蛋白組成的復(fù)合體構(gòu)成，存在于細(xì)菌質(zhì)膜內(nèi)嵌形成的細(xì)菌內(nèi)膜系統(tǒng)（introcytoplasmic membrane，ICM）上，包括核心復(fù)合體（core-complex）和外圍天線色素復(fù)合體（peripheral antennae）。光能通過外圍天線色素復(fù)合體傳遞至核心復(fù)合體，并在光反應(yīng)中心（reaction center，RC）引起電荷分離，最終將光能轉(zhuǎn)化為電能［1］。紫細(xì)菌光系統(tǒng)由一系列光合基因所編碼的蛋白和酶組成或催化合成，其中大部分基因集中在細(xì)菌基因組中，被稱為光合基因簇（photosynthesis gene cluster，PGC）的區(qū)域。人們對不同種紫細(xì)菌的光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，光合基因的表達(dá)均受到光照及細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的強烈影響，并通過一系列調(diào)控蛋白，如PpsR、PrrA（RegA）、FixJ、FnrL和 FixK等蛋白來影響puc、puf、puh、bch、crt和hem等光合基因的表達(dá)，然而在不同紫細(xì)菌類群中，這些光合基因簇表達(dá)調(diào)控的機(jī)制存在顯著的不同。本研究旨在通過分析不同紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控方式異同，從而深入了解光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。

表1介紹了球形紅細(xì)菌（Rb. sphaeroides）與沼澤紅假單胞菌（Rp. palustris）光系統(tǒng)主要調(diào)控因子及其功能異同。

表1 Rhodobacter sphaeroides及Rhodopseudomonas palustris光系統(tǒng)主要調(diào)控因子及其功能異同

1 PpsR/CrtJ型調(diào)控蛋白

1.1 PpsR/CrtJ型調(diào)控蛋白的主要特征

PpsR/CrtJ是一類在紫細(xì)菌中普遍存在，并且非常重要的的調(diào)控光系統(tǒng)基因表達(dá)的蛋白，在不同紫細(xì)菌類群中具有相同的PAS（Per-arnt-sim）結(jié)構(gòu)域和HTH（Helix-turn-helix）結(jié)構(gòu)基元［5］。通過對不同紫細(xì)菌中與PpsR蛋白結(jié)合的目標(biāo)序列的分析發(fā)現(xiàn)，PpsR一般與特定調(diào)控序列TGT-N12-ACA的回文區(qū)結(jié)合，受 PpsR調(diào)節(jié)的基因主要包括bch、crt、puc、hem等光合基因［10］，然而不同紫細(xì)菌中PpsR蛋白調(diào)控基因表達(dá)的方式還有很大差異，有的菌株中只含有一種PpsR蛋白，有的菌株中含有兩種PpsR蛋白，下面將分別介紹不同菌株中PpsR蛋白調(diào)控模式。其中圖1比較了Rb. sphaeroides、Rb. capsulatus、Rp. palustris和Bradyrhizobium sp. ORS278中PpsR調(diào)控通路及其異同。

1.1.1 單PpsR調(diào)控模式 在Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus中都只含有一種PpsR蛋白（Rb. capsulatus中為CrtJ），不同菌株中PpsR蛋白的序列與結(jié)構(gòu)高度相似，一般含有3個半胱氨酸殘基（Cys），以四聚物形式存在，通過二硫鍵的形成與斷裂響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)，并通過構(gòu)象變化發(fā)揮調(diào)控功能［11］，其中氧化態(tài)的PpsR蛋白有比還原態(tài)更強的DNA結(jié)合活性［12］，二者都發(fā)揮阻遏蛋白的特性。在Rb. sphaeroides中存在的AppA蛋白，可以與PpsR蛋白結(jié)合，從而使PpsR不能與DNA結(jié)合而喪失其阻遏蛋白活性，因此二者在球形紅細(xì)菌中共同組成了阻遏-抗阻遏調(diào)控系統(tǒng)［13］。AppA的N末端具有FAD結(jié)合域及非共價結(jié)合的BluF，能夠響應(yīng)氧化還原信號與光信號，在還原態(tài)及無藍(lán)光照射條件下可與PpsR結(jié)合；其C末端具有SCHIC（sensor containing heme instead of cobalamin）結(jié)構(gòu)域，可以結(jié)合heme輔因子，能夠通過該輔因子與PpsR的PAS結(jié)構(gòu)域結(jié)合［13-15］。近年來，隨著對AppA及PpsR蛋白晶體結(jié)構(gòu)的解析，AppA與PpsR之間是如何互作的，響應(yīng)氧化還原信號及光信號的分子機(jī)制也逐漸被解析［16-18］，為人們進(jìn)一步了解其分子調(diào)控機(jī)制并改造菌株提供了有利的支持。

圖1 Rb. sphaeroides、Rb. capsulatus、Rp. palustris和Bradyrhizobium中PpsR調(diào)控通路［13-24］

在紫細(xì)菌中廣泛存在一類PpaA/AerR類蛋白（Rb. sphaeroides中被命名為PpaA，Rb. capsulatus中被命名為AerR），這類蛋白基因位置非常保守，通常位于光合基因簇中PpsR基因的上游［19］。這類蛋白沒有像AppA一樣的FAD及BluF功能位點，但C末端具有SCHIC結(jié)構(gòu)域，也能通過heme輔因子來調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)［19］。通過對ppaA與aerR缺失突變體研究發(fā)現(xiàn)，aerR突變體中puf、crtI、crtB和crtJ等光合基因表達(dá)上調(diào)，因此AerR的存在可能抑制光合基因的表達(dá)［20］；而與之相反，ppaA突變體puc、crt和bch等光合基因表達(dá)下調(diào)，因此PpaA

可能促進(jìn)光合基因表達(dá)［21］。然而，最近有研究發(fā)現(xiàn)，AerR在光照條件下通過結(jié)合B12輔因子，能夠與PpsR蛋白結(jié)合，從而使PpsR喪失阻遏蛋白活性，激活相關(guān)光合基因表達(dá)，因此二者也能夠組成阻遏-抗阻遏調(diào)控系統(tǒng)［22］。AerR的抗阻遏活性主要依賴于B12的狀態(tài)，在光照條件下，B12可以從腺苷鈷胺素（AdoB12）轉(zhuǎn)換為羥基鈷胺素（OHB12），而OHB12可以促使AerR與CrtJ的結(jié)合［22］。對于aerR缺失突變體中光合基因表達(dá)的下調(diào)，可能是由于AerR與PpsR基因是聯(lián)鎖表達(dá)的，aerR缺失突變使ppsR表達(dá)也下調(diào)，從而使光合基因在缺乏阻遏蛋白情況下表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而造成AerR抑制光合基因表達(dá)的假象［22］。

1.1.2 雙PpsR調(diào)控模式 與前兩種紫細(xì)菌不同，Rp. palustris和Bradyrhizobium sp. ORS278含有兩種類型的PpsR蛋白，即PpsR1和PpsR2。兩種紫細(xì)菌PpsR蛋白的氨基酸序列相似性較高，在Bradyrhizobium sp. ORS278中，PpsR調(diào)控蛋白主要調(diào)控bch、crt和cycA基因［23］，而在Rp. palustris中，PpsR主要調(diào)節(jié)crt、bch和puc等基因的轉(zhuǎn)錄［5］。目前，Bradyrhizobium sp. ORS278中PpsR蛋白的功能最先得到研究。Bradyrhizobium sp. ORS278的PpsR1可以通過分子間的二硫鍵來響應(yīng)氧化還原信號，在還原態(tài)以四聚物形式存在，氧化態(tài)以八聚物形式存在，其中還原態(tài)的四聚PpsR1可以與crt、bch等光合基因啟動子區(qū)的目標(biāo)序列結(jié)合，執(zhí)行轉(zhuǎn)錄激活作用［23］；而其PpsR2蛋白沒有半胱氨酸殘基，不能識別氧化還原信號，但是可以通過細(xì)菌光敏色素（bacteriophytochrome，BphP）響應(yīng)遠(yuǎn)紅光信號，被遠(yuǎn)紅光激活的BphP可以解除PpsR2對crt、bch及ppsr1等光合相關(guān)基因的抑制［23］。由于高度的序列相似性，最初Rp. palustris的兩個PpsR蛋白也被認(rèn)為與Bradyrhizobium sp. ORS278的PpsRs有相似的功能［23］，然而Braatsch等［5，6］通過對Rp. palustris CGA009的ppsR1突變體的研究發(fā)現(xiàn)，Rp. palustris的PpsR1在有氧條件下執(zhí)行轉(zhuǎn)錄抑制功能；其PpsR2由于含有半胱氨酸殘基，不僅能通過RpBphP響應(yīng)遠(yuǎn)紅光信號而激活基因轉(zhuǎn)錄；同時，該PpsR2也可通過半胱氨酸殘基響應(yīng)氧化還原信號。研究發(fā)現(xiàn)，Rp. palustris的PpsR2通過RpBphP1響應(yīng)光信號，RpBphP1包含一個識別光信號的PCD結(jié)構(gòu)域（input photosensory core domain，PCD）和一個傳遞信號的OTD結(jié)構(gòu)域（output transducing domain，OTD），其中OTD結(jié)構(gòu)域包含PAS/PAC結(jié)構(gòu)，RpBphP1通過與RpPpsR2形成復(fù)合物來傳遞遠(yuǎn)紅光信號［24］。在Rp. palustris和Bradyrhizobium sp. ORS278中也存在PpaA基因，然而其蛋白功能是否與Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus中PpaA及AerR功能相似，還未見更多報道。

1.2 不同紫細(xì)菌中PpsR調(diào)控通路的異同

由于PpsR型調(diào)控通路是紫細(xì)菌中調(diào)控光合基因表達(dá)的最重要的調(diào)控通路之一，并且為近年來研究熱點，在許多紫細(xì)菌中均有較為深入的研究，對該通路中不同類型的調(diào)控蛋白按照其結(jié)構(gòu)與功能分類，可以更清楚看到該調(diào)控通路的特點。PpsR/CrtJ型調(diào)控蛋白所屬調(diào)控通路中，Rb. sphaeroides含有兩個調(diào)節(jié)PpsR功能的調(diào)控蛋白AppA及PpaA，而Rb. capsulatus的PpsR/CrtJ上游調(diào)控蛋白僅有與PpaA同源的AerR；Bradyrhizobium sp. ORS278與Rp. palustris都含有兩種PpsR蛋白，其中Bradyrhizobium sp. ORS278的PpsR1執(zhí)行轉(zhuǎn)錄激活功能，而Rp. palustris的PpsR1卻執(zhí)行轉(zhuǎn)錄抑制功能。同時，這些調(diào)控蛋白在不同紫細(xì)菌中也存在一些共性特點：所有菌株中的PpsR蛋白都結(jié)合相似的TGT-N12-ACA回文區(qū)序列；Bradyrhizobium sp. ORS278與Rp. palustris的PpsR2同源，二者都通過Bphp受到光信號的調(diào)控；Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus的AppA、PpaA及AerR都具有SCHIC結(jié)構(gòu)域，并通過heme類輔因子與PpsR結(jié)合組成各種阻遏-抗阻遏系統(tǒng)。

2 雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)

2.1 雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)的主要特征

在Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus中各自存在一套調(diào)控光合相關(guān)基因表達(dá)的雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)，分別為PrrB/A與RegB/A調(diào)控系統(tǒng)，二者調(diào)控功能相似。外界信號通過一個膜定位的具有組氨酸激酶活性的跨膜蛋白PrrB（RegB），將胞內(nèi)另一個轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白PrrA（RegA）磷酸化激活后影響一系列基因的轉(zhuǎn)錄，膜定位蛋白通常包含N末端的跨膜結(jié)構(gòu)域及C末端組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，胞內(nèi)蛋白通常包含一個N末端的REC結(jié)構(gòu)域（signal receiver domain）及C末端的HTH結(jié)構(gòu)域。在Rp. palustris中同樣存在類似的雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)，人們主要研究了兩種與類似的與Rb. sphaeroides及Rb. capsulatus類似的調(diào)控系統(tǒng)，即RegS/R與FixL/J。

2.2 不同紫細(xì)菌中雙組分磷酸化調(diào)控系統(tǒng)功能異同

在Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus中，該系統(tǒng)通過響應(yīng)氧化還原信號，除調(diào)控固氮相關(guān)基因的表達(dá)外，還能夠調(diào)控puf、puc、bch和crt等光合基因的轉(zhuǎn)錄［25］?，F(xiàn)有研究表明，PrrA/B（RegA/B）雙組分系統(tǒng)主要通過以下幾種可能的機(jī)制來識別氧化還原信號：Rb. capsulatus的RegB可以通過265位的Cys殘基來響應(yīng)氧化還原信號，氧化態(tài)下通過形成分子間二硫鍵，促使分子變?yōu)闊o激酶活性的四聚體繼而阻斷下游通路［26］；Swem等［27］發(fā)現(xiàn)Rb. capsulatus的RegB的跨膜區(qū)含有輔酶Q結(jié)合位點，醌池（ubiquinone pool）的氧化還原狀態(tài)能夠調(diào)節(jié)RegB的激酶活性，氧化態(tài)的輔酶Q可以影響RegB的激酶活性繼而阻斷下游通路；而Kim等［28］則認(rèn)為Rb. sphaeroides中PrrB的激酶活性主要受到cbb3氧化酶的調(diào)節(jié)，輔酶Q結(jié)合位點對于PrrB的激酶活性并沒有影響，cbb3氧化酶作為氧化還原信號受體，調(diào)節(jié)PrrB的磷酸酶及磷酸激酶活性平衡，還原態(tài)下使PrrB表現(xiàn)出激酶活性繼而激活下游通路［29］。近年來研究表明PrrC對于cbb3氧化酶銅中心的裝配密切相關(guān)，PrrC蛋白與PrrB/A系統(tǒng)密切相關(guān)的蛋白［30，31］，其基因位置相鄰，然而對于氧化還原信號影響PrrB（RegB）激酶活性的具體機(jī)制仍未闡明。還原條件下，具有激酶活性的PrrB（RegB）可以磷酸化激活PrrA（RegA），而PrrA（RegA）通過識別特異性序列5'-GCTGGCGCGANNTATANNCGAC-3'而定位其所調(diào)控的基因。PrrA（RegA）對不同基因的調(diào)控方式也有所不同：可以直接與轉(zhuǎn)錄抑制因子PpsR（CrtJ）競爭bchC的啟動子區(qū)，并通過與RNA聚合酶互作而增加基因轉(zhuǎn)錄起始效率［32］；可通過與其他蛋白（FnrL、CbbR和NtrYX等）協(xié)同作用增強相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄［33-36］；可通過與gpx（RSP2389）起始密碼子下游作用位點結(jié)合并抑制該基因轉(zhuǎn)錄［37］；而亞精胺及DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對PrrA與目的位點結(jié)合有重要影響，亞精胺可以提高光合基因轉(zhuǎn)錄效率，DNA的負(fù)超螺旋也有助于PrrA促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄［7］。

Rp. palustris中的RegS/R雙組分調(diào)控系統(tǒng)是Rp. palustris中與PrrA/B親緣關(guān)系最近的雙組分調(diào)控系統(tǒng)，其中RegR與PrrA的相似性高達(dá)72%。但是通過突變體研究發(fā)現(xiàn)，RegS/R不參與光合自養(yǎng)、光合異養(yǎng)及固氮條件下的相關(guān)基因表達(dá)，只影響了吸氫酶的活性［38］。然而Rp. palustris中的另一套雙組分調(diào)控系統(tǒng)FixL/J，與PrrB/A親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，但可以參與光合基因調(diào)控。通過結(jié)構(gòu)域分析可以發(fā)現(xiàn)FixL比PrrB多兩個PAS結(jié)構(gòu)域，這導(dǎo)致二者接受氧化還原信號的機(jī)制可能不一樣。FixJ在厭氧條件下可以激活另外一個與光合基因調(diào)控相關(guān)的正調(diào)控蛋白FixK基因的轉(zhuǎn)錄，fixL/J突變體不能很好地在厭氧光照下生長［8］。然而在Rp. palustris中，氧化還原信號是如何傳遞給FixL的，有關(guān)FixJ對其他基因的調(diào)控作用，是否還有其他雙組分調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控光合基因表達(dá)都還有待進(jìn)一步研究。

3 CRP-FNR型調(diào)控蛋白

3.1 CRP-FNR型調(diào)控蛋白的主要特征

紫細(xì)菌中還存在一類參與光合基因表達(dá)調(diào)控的CRP-FNR 型調(diào)控蛋白，該蛋白可以結(jié)合cNMP，以其含有的4Fe-4S簇響應(yīng)氧化還原信號，并可以通過與DNA的結(jié)合來調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)［39］，現(xiàn)有研究表明不同菌株中的CRP-FNR型調(diào)控蛋白主要調(diào)控啟動子區(qū)具有保守的FNR調(diào)控序列（TTGAT-N4-ATCAA）的基因［8，9］。

3.2 不同CRP-FNR型調(diào)控蛋白功能異同

在Rb. sphaeroides中調(diào)控光合基因的CRP-FNR型調(diào)控蛋白為FnrL。在低氧分壓下，還原態(tài)的FnrL能結(jié)合并激活具有保守FNR調(diào)控序列的光合相關(guān)基因，如puc、hemA、hemF、hemZ和bchE等［9，40］。FnrL是Rb. sphaeroides的一個關(guān)鍵調(diào)控因子，其fnrL突變體不能在光照條件下生長，不能在黑暗厭氧條件下利用DMSO作為電子傳遞受體［9］，也不能形成正常的內(nèi)膜系統(tǒng)［41］。Rb. sphaeroides中FnrL蛋白經(jīng)常與其他蛋白共同調(diào)控基因表達(dá)，如puc基因啟動子區(qū)的FNR調(diào)控序列與其IHF調(diào)控區(qū)域有重合；hemA上游雙啟動子也受到PrrA及FnrL的共同調(diào)節(jié)［40］。Rb. capsulatus的FnrL蛋白與Rb. sphaeroides的親緣關(guān)系最高，但是二者的功能有很大的差異。Rb. capsulatus的fnrL突變使菌株不能在黑暗厭氧條件下利用DMSO，但是對菌株厭氧與有氧條件下的光合生長沒有影響，也不影響細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的形成［41］；對Rb. capsulatus的hem啟動子的深入分析發(fā)現(xiàn)，hemE在半好氧條件下能夠被FnrL明顯激活，而hemB的表達(dá)則受到FnrL蛋白的抑制，但FnrL對其他hem基因表達(dá)的影響則非常微弱［42］。

在Rp. palustris中存在多種CRP-FNR家族蛋白（圖2），其中AadR與FixK兩種蛋白與Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus的FnrL相似性最高。研究發(fā)現(xiàn)AadR主要參與苯酸鹽代謝，但不參與光合基因表達(dá)調(diào)控［43］。而FixK的功能則與Rb. sphaeroides的FnrL類似，識別相似的調(diào)控序列，都調(diào)控電子傳遞及光系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)［8］。FixK可以通過直接或者間接的方式與基因上游特異調(diào)控序列結(jié)合而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，在厭氧或微氧條件下，F(xiàn)ixL可以激活fixK表達(dá)，F(xiàn)ixK接著可以激活一系列基因如bch、hem、cooNOQP及pioABC等的表達(dá)［8，44］。

圖2 Rp. palustris中CRP-FNR型調(diào)控蛋白系統(tǒng)發(fā)育分析

4 SPB調(diào)控因子

SPB是Rb. sphaeroides中的一個調(diào)節(jié)蛋白，包含一個C端的K-box和N端負(fù)責(zé)DNA結(jié)合的H-NS結(jié)構(gòu)，能識別puf和puc操縱子的操縱區(qū)，在強光照射下抑制puf和puc的轉(zhuǎn)錄，因此又叫作高光抑制因子［45］。SPB缺失突變使菌株在光照條件下Bchl表達(dá)上調(diào)，同時也可提高菌株的產(chǎn)氫效率［46］。SPB蛋白不能響應(yīng)氧化還原信號，也不包含能識別光信號的基團(tuán)。2007年，Shimada等［47］通過免疫共沉淀技術(shù)，分離得到了一個與SPB相互作用的蛋白SIP，SIP同樣屬于H-NS家族的蛋白，但有關(guān)強光信號傳遞給SPB的具體機(jī)制，仍然沒有闡明。在Rb. capsulatus中存在一個可以響應(yīng)光信號并具有H-NS結(jié)構(gòu)的蛋白——HvrA［48］，但是與SPB不同的是HvrA蛋白負(fù)責(zé)在低光照下激活puf和puh的轉(zhuǎn)錄，hvrA缺失菌株表現(xiàn)出在中低光照下光合效率下降［48］。與SPB一樣，HvrA蛋白響應(yīng)光照的機(jī)理仍未闡明。

在Rp. palustris中細(xì)菌光敏色素RpBphP2與RpBphP3可以響應(yīng)光照強度信號，繼而調(diào)控光合基因表達(dá)［49］，但是在Rp. palustris中未發(fā)現(xiàn)H-NS家族蛋白，對于Rb. sphaeroides和Rb. capsulatus中是否存在類似的調(diào)控蛋白還有待進(jìn)一步研究。

5 非編碼小RNA（small-noncoding RNA）調(diào)控

非編碼小RNA廣泛參與微生物細(xì)胞代謝、應(yīng)激反應(yīng)等生理過程，近些年來受到人們廣泛重視。2009年，Borghoff等［50］用高濃度氧氣處理Rb. sphaeroides菌株后，通過高通量測序及Northern blot技術(shù)，獲得了20個響應(yīng)氧化還原狀態(tài)的非編碼小RNA。隨后作者所在課題組選取其中一個僅在Rb. sphaeroides中特異存在的非編碼小RNA-PcrZ，通過一系列研究發(fā)現(xiàn)pcrZ在厭氧條件下被PrrA激活轉(zhuǎn)錄形成小RNA-PcrZ，而PcrZ可以通過互補配對的形式與puc、bch等基因結(jié)合而抑制光合基因表達(dá)［51］。在這個調(diào)控模式里，PcrZ還可與轉(zhuǎn)錄激活因子PrrA競爭性結(jié)合目的基因，從而實現(xiàn)對基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)節(jié)。

在Rp. palustris中，2012年，Hirakawa等［52］通過RNAseq技術(shù)得到了一系列反義RNA，并鑒定出其中一個反義RNA具有調(diào)節(jié)群體信號感應(yīng)受體表達(dá)的功能。然而，目前關(guān)于小RNA調(diào)控Rp. palustris光系統(tǒng)方面的研究，尚未見更多報道。

6 結(jié)語

紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控是一個非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，除本文中詳細(xì)對比的幾種調(diào)控通路及其所含的調(diào)控蛋白外，還有很多調(diào)控蛋白參與光合基因表達(dá)調(diào)控。例如，Rb. sphaeroides中的外膜蛋白TspO參與AppA-PpsR調(diào)控系統(tǒng)中氧化還原信號向AppA的傳遞［53］；Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus中存在的硫氧還原蛋白可通過調(diào)節(jié)DNA促旋酶的活性，改變DNA的超螺旋狀態(tài)，繼而影響光合基因表達(dá)［54］；紫細(xì)菌中還普遍存在一類細(xì)菌光敏色素（bacteriophytochrome，Bphp），可以通過響應(yīng)光信號而調(diào)節(jié)光合基因表達(dá)［55］；而另外一類向光素依賴蛋白（phototropin-related proteins）也可通過響應(yīng)光信號調(diào)控光合基因表達(dá)［55］。但是這些調(diào)控蛋白及其所屬調(diào)控通路中，光信號及氧化還原信號是如何傳遞的，下游調(diào)控蛋白是如何識別并調(diào)控基因的，不同紫細(xì)菌中是否具有相似的調(diào)控模式，都還有待進(jìn)一步研究。

值得注意的是，即使氨基酸序列最為相近的蛋白，其突變體在不同紫細(xì)菌中可能具有不同的表型；相似性較低的蛋白，其突變體在不同紫細(xì)菌中也表現(xiàn)出相似的功能。例如，Rp. palustris中與PrrA/B（RegA/B）最為相似的RegS/R調(diào)控系統(tǒng)，并不參與光系統(tǒng)形成，而后來發(fā)現(xiàn)的FixL/J調(diào)控通路卻參與光合系統(tǒng)相關(guān)基因調(diào)控；Rb. sphaeroides與Rb. capsulatus的FnrL相似性很高，但其突變體卻表現(xiàn)出不同的表型，相似性較低的Rp. palustris的FixK與Rb. sphaeroides的FnrL之間，在功能上卻最為相近，都具有相似的調(diào)控序列及調(diào)控機(jī)制。不同紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控模式都有其共性及特性，而通過對不同類群紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制相似性研究，有助于人們進(jìn)一步深入了解紫細(xì)菌光合基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，并在其他類型光合細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)類似的調(diào)控通路。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Differences in Regulation of Photosynthetic Gene Expression Between Different Purple Bacteria

DENG Chun-hao SUN Liang-yu CHEN Kun-ming
（College of Life Sciencess，Northwest A&F University，Yangling 712100）

The purple bacteria are prokaryotes that can proceed photosynthesis without oxygen release. They use light energy to produce ATP for their own growth and metabolism. The photosystem of a purple bacterium consists of a series of complex of pigments and proteins encoded by photosynthetic genes like puc， puf， puh， bch， crt and so on. The expressions of their photosynthetic genes mainly are influenced by light and external redox signals；however， the expression and regulation mode of photosynthetic genes are greatly different between different kinds of purple bacteria. This review introduces the research advances on several expression and regulation systems of photosynthetic genes， such as PpsR/CrtJ like regulator， two-component phosphorylation regulation system and CRP-FNR like regulator in purple bacteria while focusing on Rhodobacter sphaeroides and Rhodopseudomonas palustris. The results from the functional and characteristic analysis of the regulation mechanism in different purple bacteria suggest that， each regulation system existing in different bacterial strain shows similar functions but with somewhat unique characteristics. This study gives us further insights for understanding the mechanisms of expression and regulation of photosynthetic genes in the purple bacteria， and provides important

for application of these purple bacteria in the future.

photosynthetic genes；Rhodobacter sphaeroides；Rhodopseudomonas palustris；purple bacteria

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.02.005

2015-04-22

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCET-11-0440），教育部留學(xué)回國人員科研啟動費

鄧春浩，男，碩士，研究方向：細(xì)胞生物學(xué)；E-mail：dchdr@163.com

陳坤明，男，博士，研究方向：植物細(xì)胞逆境分子生理與調(diào)控，光合作用與生物能源；E-mail：kunmingchen@nwsuaf.edu.cn