DNA超螺旋結構對大腸桿菌厭氧呼吸酵素基因素現與調控之研究

Abstract

大腸桿菌（Escherichia coli）為兼性厭氧細菌，在有氧環境下細胞可將葡萄糖經 glycolysis pathway及TCA cycle代謝分解，並將產生的NADH經有氧呼吸鏈酵素 cytochrome o oxidase（cyoABCDE）與cytochrome d oxidase（cydABC）傳遞電子給 最終接收者氧而產生能量。無氧環境下，厭氧呼吸酵素基因包括nitrate reductase （narGHJI），DMSO╱TMAO reductase（dmsABC）及fumarate reductase （frdABCD ）會被活化，而上述好氧呼吸基因則被抑制。ArcA－ArcB與Fnr為目前己知大腸桿菌 體內兩組重要轉錄調控子，它們會將外界是否有氧的訊息傳入細胞內而調控上述基因 的表現。以前的研究瞭解在無氧環境下，這些厭氧呼吸酵素基因的表現會被Fnr活化 ，但不受AcrA－AcrB所調控。雖然Fnr在無氧環境下可調控這些厭氧呼吸酵素的基因 表現，但在無氧及有氧環境下這些厭氧呼吸酵素基因之表現於fnr突變株中仍有2 ∼5倍的差距，由此可知除Fnr外尚有其它因子也參與厭氧呼吸酵素基因素現的調控。 因為不同含氧環境已證實會改變DNA超螺旋結構，所以我們認為DNA超螺旋結構可能會 參與調控厭氧呼吸基因的表現。大腸桿菌內DNA超螺旋結構主要是由會增加和減少 megative supercoils的DNA gyrase和topoisomerase Ⅰ，經彼此互相協調以達到一 個topology的平衡。因此本論文中利用不用的gyrase抑制劑，及構築 topoisomerase Ⅰ與gyrase B subunit的突變株，分別使菌體內DNA超螺旋結構變得鬆散與捲緊，以 觀察厭氧呼吸基因在in vivo中受其調控及表現。結果發現在無氧環境下當DNA超螺旋 結構較鬆散時frdA－lacZ與drnsA－lacZ的表現都被活化，而narG－lacZ表現則是被 抑制。反之當DNA超螺旋結構捲緊時frdA－lacZ與drnsA－lacZ的表現被抑制，而narG －lacZ表現則被活化。這三種厭氧呼吸基因受DNA超螺旋結構改變之影響在有氧影響 下都較無氧環境下明顯，而對fnr突變株之厭氧呼吸基因的影響又較野生株為顯著 。因此我們認為Fnr在細胞中可能扮演避免DNA超螺旋結構對厭氧呼吸基因表現之影響 細胞正常生理功能的角色。DNA超螺旋結構對厭氧呼吸基因表現之影響除frdA－lacZ 外，對drnsA－lacZ與narG－lacZ有可能是先經由影響Fnr後再去調控該基因之表現。 從本研究中發現DNA超螺旋結構在in vivo中確實是除Fnr外，影響厭氧呼吸基因表現 的另一調控因子。