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DNA分子存在于生物所生存的大部分环境中,这些DNA分子可以被降解做为营养物质为生物生长所利用,也可以做为片段进入细胞内通过改变基因组信息推动物种进化。胞外核酸酶对于调节胞外DNA分子起到重要的作用。耐辐射球菌Deinococcus radiodurans对于电离辐射、紫外、过氧化氢、干燥和其他一些化学诱变剂具有很强的抗性,是研究DNA损伤修复的一种理想模式生物。研究发现D.radiodurans在γ电离辐射后会释放出体内受损伤的DNA片段(~1 kb),这些片段会被胞外核酸酶DRB0067蛋白迅速降解掉,以避免被重新吸收利用后影响基因组的稳定性。本文重点围绕胞外DNA分子和其被降解的产物dNMPs对D.radiodurans生长和抗性影响方面开展研究,阐释了胞外核酸酶DRB0067蛋白一些新的功能和生物学意义。主要实验结果如下:
1.高浓度的胞外DNA片段可以抑制耐辐射球菌属D.radiodurans和D.radiopugnans的生长,对其他五种生物如E.coli等生长的影响则比较小;等质量浓度的dNMPs对D.radiodurans和E.coli的生长基本上也没有影响,这说明体外高浓度DNA分子的存在对D.radiodurans和D.radiopugnans的生长是一种威胁,需要被尽快降解掉。
2.胞外dGMP可以提高D.radiodurans抗氧化的能力,比如H2O2和γ电离辐射,对E.coil则没有这一效果;而等质量浓度的胞外DNA片段对D.radiodurans和E.coli的抗性都没有影响。进一步的研究发现胞外dGMP可以提高D.radiodurans中过氧化氢酶基因katA(dr1998)的转录水平和对应的蛋白活性,此外还可以调控其他一些重要基因的转录水平。
3.胞外核酸酶DRB0067蛋白做为D.radiodurans所分泌的唯一核酸酶,具有核酸内切酶和3`→5`核酸外切酶活性,可以切割质粒、ssDNA和dsDNA等。研究发现该蛋白是通过Sec途经分泌到细胞外的,其分泌受γ电离辐射的影响,这说明了DRB0067蛋白在D.radiodurans电离辐射抗性方面起着一定作用。
4.我们成功构建了drb0067基因突变株△drb0067,并发现相比较于D.radiodurans野生型,△drb0067在生长方面对胞外DNA分子更加敏感,其质粒转化率也有所提高;此外,△drb0067对H2O2和γ电离辐射变得比较敏感。胞外dGMP和Oligo(dG)50对突变株△drb0067的H2O2抗性实验表明D.radiodurans可以利用DRB0067蛋白降解产物中的dGMP来提高自身的抗氧化能力。
综上所述,胞外核酸酶DRB0067蛋白对于D.radiodurans是非常重要的,既可以避免胞外DNA分子对自身细胞生长的抑制,又可以将DNA分子降解成小分子做为营养物质重新吸收利用,同时避免受损伤的DNA片段重新吸收进入细胞内影响基因组的稳定性,最后还可以利用降解产物中的dGMP来增强细胞自身对氧化损伤因子的抗性。