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细菌化学趋化特异性的人工改造

-大肠杆菌趋化受体信号传导分子机制研究与配体识别专一性改造


    北京大学定量生物学中心来鲁华教授课题组与涂豫海教授课题组在最近的研究中揭示了大肠杆菌趋化受体Tar受体因子结合并激发趋化信号的分子机制,并在此基础上首次实现了基于结构的理性设计改变趋化受体的专一性。

 

 

 


    化学趋向性是各类原核生物、真核细胞或者多细胞生物根据环境中化学物质的浓度梯度进行有向运动的现象。化学趋向性对于细菌尤其重要,可以有利于它们在环境中寻找食物或者逃离有害物质。由于细菌的化学趋向性是最简单的行为之一,它已经成为研究细胞内信号转导分子机制的经典模型。趋化受体是感应环境中特定的受体因子并将信号传递给胞内下游组分的一类膜蛋白。设计趋化受体使细菌具有新的趋向专一性和功能将在生物工程以及合成生物学等领域有广泛的应用。但是目前对于受体因子与趋化受体结合与激发趋化信号的分子机制并不清楚,这使得通过基于结构的理性设计改造趋化受体的专一性,使之趋向新的目标化合物成为了巨大的挑战。

 

 

 

    为了研究受体因子结合与激发趋化信号的分子机制,实现对趋化受体专一性的理性设计该团队采用实验和计算相结合的方法,筛选并发现了大肠杆菌趋化受体Tar的全新受体因子引诱剂和拮抗剂。首次发现的 Tar 受体拮抗剂为设计能够抑制病原菌趋向性的抗菌剂提供了新思路。通过比较拮抗剂与引诱剂与趋化受体的结合模式,该研究发现了受体因子激发趋化信号的关键相互作用,并提出了受体因子激发趋化信号的分子机制。在此基础上,该研究提出了趋化受体理性设计改变其专一性的策略。针对不能被野生型Tar受体感应的L-精氨酸,该团队通过合理的设计和改造成功地得到了能够感应L-精氨酸的Tar 突变体。该研究进一步认识了大肠杆菌化学趋向性的分子机制,为理解其它受体的信号传导机理奠定基础。同时,趋化受体理性设计的成功为改造具有新型运动专一性和功能的细菌提供了新方法。

 


该研究成果近期发表在《美国国家科学院院刊》上:Bi S, Yu D, Si G, Luo C, Li T, Ouyang Q, Jakovljevic V, Sourjik V, Tu Y*, and Lai L* (2013) Discovery of novel chemoeffectors and rational design of Escherichia coli chemoreceptor specificity. Proc Natl Acad Sci USA 110(42): 16814–16819。论文第一作者为前沿交叉研究院定量生物学中心直博生毕双玉(2013届毕业生),第二作者为化学学院博士生余大启,定量生物学中心的直博生司光伟(2013届毕业生)和李佟清也参与了部份工作。论文合作者罗春雄副教授和欧阳颀教授是实验中微流装置的主要设计者,合作指导了研究生的微流实验工作德国海德堡大学Prof. Victor Sourjik合作指导了FRET实验部分的工作。来鲁华教授、欧阳颀教授为北京大学-清华大学生命科学联合研究中心研究员。

 

 

 

    该项工作受到国家自然科学基金委员会、科技部和北京大学的资助。