對死海嗜鹽古菌雙元協同訊息傳遞系統中的CheB蛋白質之全結構解析與生理功能推測

Abstract

"雙元協同訊息傳遞系統（Two-component system，TCS) 在微生物中負責偵測環境中的刺激，並對不同刺激產生專一的反應，協助微生物在多變的環境下生存。例如，細菌會利用TCS來感測環境中的營養成分或是有害物質的濃度高低，進一步改變泳動的行為，稱為趨化性（Chemotaxis）。在嗜鹽古菌中，則會透過TCS系統裡的感受型視紫質(sensory rhodopsin, SR)來偵測不同波長的光，產生趨光（attractant）或避光（repellent）的泳動行為，此稱為趨光性（phototaxis）。此趨光性反應之產生，需要透過可吸收偏紅光波長的SRI (sensory rhodopsin I)進行趨光，以及吸收偏藍光的SRII (sensory rhodopsin II)進行避光來擷抗；目前已知兩者皆藉由調控其 TCS 下游的傳導元（transducer），分別為 HtrI 與 HtrII，來與Che 系列蛋白質進行交互作用。除了上述提到的SRI及SRII外，先前研究發現在 Haloarcula marismortui 中還存在第三種可以感測綠光的 sensory rhodopsin M（SRM）以及其專屬傳導元， HtrM。並且在後續研究中發現，綠光可以同時抑制趨光/避光行為，但在只有表現SRI 和 SRII 的菌體時，綠光不會抑制此菌體的趨光/避光行為。為了解綠光使古菌的泳動光趨性受抑制的機制，本論文試圖提出假設，說明SRM-HtrM 如何抑制 SRII-HtrII 的避光和 SRI-HtrI 的趨光泳動行為。首先經由序列分析，發現HtrM的胺基酸長度僅有HtrI 和 HtrII 的一半不到，而且含有類似於HtrI 與HtrII 中的 HAMP 區域。而 HAMP 區域是 HtrI、HtrII與 CheW/CheA 蛋白質間的互觸區 (interaction region)。因為已知被 HtrI 與HtrII 活化的CheA，可以同時進一步磷酸化 CheY 和 CheB。而磷酸化的 CheY 會控制鞭毛轉動的方向，使菌體避光；磷酸化的 CheB則是產生負回饋作用，會去除HtrI與HtrII在HAMP 區域上的甲基。因此本論文決定透過解析目前科學界仍無法解出的 HmCheB完整結構，並依其結構來解釋細菌的趨光性行為，目前提出兩個假設：一、 HtrM可能會和兩個 Htr 競爭磷酸化的 CheB，但因不產生原先 HtrI、HtrII 去甲基化後的訊號，使得磷酸化的CheB所誘發的負回饋機制失效，菌體因此誤認為需要更多 CheB 被磷酸化，因此讓和 CheB競爭磷酸化的 CheY 無法有效的被磷酸化，進而導致 CheY 原本可以驅動避光或趨光行為的效用下降。二、被活化的HtrM，可能提高了與CheA或CheW的親和力，使得可以參與磷酸化CheY和CheB的CheA數量下降，導致CheY去驅動避光鞭毛轉動的效率下降，因而降低了避光或趨光的能力。以上兩個假設皆涉及 CheB 和其他蛋白質的交互作用。本研究成功獲得 CheB 的完整蛋白質結構，並冀望透過對 CheB 整體結構的瞭解，替未來 CheB 和其他蛋白質交互作用的研究，以及細菌趨光性泳動的機制探討，提供堅實的研究基礎。"