碳源、供氧量及生長速率調控大腸桿菌能量狀態與RNase E基因表現之研究

Abstract

碳源不同會改變大腸桿菌的生長速率、基因表現及能量狀態。本計畫將探討在 不同碳源、生長速率及供氧量下，對菌體內能量狀態與多種基因表現之影響。由先 前研究結果顯示以葡萄糖及醋酸為碳源時，菌體內能量狀態(energy charge) 與 ATP/ADP 比例皆會隨生長速率加快而增高(見圖一與表一)。而大腸桿菌之DNA 超 螺旋結構也受碳源與生長速率影響，以葡萄糖為碳源時，DNA 超螺旋結構會隨生 長速率上升而變得緊密(見圖二)，但在相同生長速率而不同碳源下，則以醋酸培養 時DNA 超螺旋結構最為緊密(見圖三)。因此本計畫中我們將進一步研究與DNA 超 螺旋結構有關的基因gyrA、gyrB 與topA 之表現。 由於代謝途徑上能量來源分別由受質水平磷酸化(substrate-level phosphorylation)與氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)反應獲得，這些反應經由 磷酸甘油激. (phosphoglycerate kinase, pgk)、丙酮酸激. (pyruvate kinase, pyk)、 琥珀醯硫激. (succinyl thiokinase, sucCD)、醋酸激. (acetate kinase, ack)與ATP 合 成. (ATP synthase, atp)等五種酵素進行，可將ADP 與Pi 合成ATP 以供菌體所需。 過去文獻指出當ATP 合成. (atp) 在大腸桿菌內大量表現時，會使ATP/ADP 比例 下降，並抑制菌體生長，顯示ATP 合成與生長有密切關係，本計畫中我們將研究上 述環境因子對代謝途徑中與ATP 合成相關基因之影響，並探討細胞內能量狀態改變 的情形。 再者細胞內能量狀態與RNA表現及降解息息相關，現今已知RNase E為大腸桿菌 最主要降解mRNA之核酸內切.，也是degradosome複合體主要成員。因degradosome 內之RhlB、PPK與enolase 等酵素活性均與ATP含量有關，因此本計畫中我們將一起 探討上述因子與能量狀態改變，是否會影響degradosome中RNase E基因表現，進而 瞭解細胞內能量狀態是否會調控RNase E表現及活性。 綜合上述，本研究計劃結果將可歸納環境因子中碳源、供氧量與生長速率對大 腸桿菌體內能量狀態影響，以及代謝途徑上與五種ATP 合成基因如何隨細菌生理需 求而調整，並經由探討RNase E 基因（rne）在transcription 與translation 等各層次 調控機制，能使我們對微生物在不同環境中之基因表現與生理相互關係有更深一層 的認識，並瞭解細胞內能量狀態在基因表現上所扮演的角色。