研究方向

　　(1) 低温甲烷古菌的生理、遗传学及其环境适应机理；

　　(2) 链球菌抗氧胁迫及致病的分子机理。

研究内容

　　(1) 研究嗜冷甲烷古菌遗传生理及其低温适应的转录后调控机制：

　　甲烷古菌是唯一产生大量甲烷的生物，嗜冷甲烷古菌在低温湿地的甲烷排放中发挥重要作用，但其低温适应的分子机制仍所知甚少；古菌虽是原核生物，却使用简化的、真核样的遗传信息传递机器，但目前对古菌遗传调控机制了解较少。我们发现转录后调控在甲烷古菌低温适应及中温进化中重要，且发现古菌特异的转录终止机器组分。

　　发现mRNA加工促进甲烷古菌的蛋白翻译效率

　　利用differential RNA sequencing 发现甲烷古菌的转录子普遍具有长的5’非翻译区(5’UTR) (Sci Rep. 2015)；转录子稳定性分析发现，具有长5’UTR（270 nt和238nt）的甲醇产甲烷关键酶基因mtaA1和mtaC1B1赋予其mRNA具低温稳定性（半衰期约60min），远比短5’UTR（27nt）的乙酸产甲烷途径关键酶基因pta和ackA的mRNA稳定（半衰期15 min）（Appl Env Microbiol, 2014），表明5’UTR影响转录子在细胞中的命运。

　　建立了5’P-sequencing技术, 并利用该技术发现甲烷古菌具有组学水平的mRNA 5’UTR和基因间区加工现象，修正了“原核生物mRNA无加工”的传统认知；分子生物学实验证明5’UTR加工促进核糖体蛋白转录子的翻译，而基因间区的加工保证了核糖体蛋白亚基间的化学计量比 （Nucleic Acids Res, 2017）。

　　发现mRNA 5’UTR及基因间区的加工位点侧翼具有10 nt motif特征序列，该序列同时存在于古菌pre-rRNA中。通过分子生物学实验，阐明了古菌pre-rRNA完整的加工成熟途径，包括16S- 和23S-pre-rRNA的环化及开环、5S-pre-rRNA切割加工等途径（RNA Biol. 2020a）。

　　发现核酸酶aCPSF1是古菌转录终止因子及其真核样的转录终止机制

　　aCPSF1分布于所有古菌中且为必需基因； 敲低该基因导致甲烷球菌组学水平的转录终止缺陷；分子实验证明aCPSF1与RNA聚合酶互作、在新生RNA 3’end切割后介导转录终止，终止模式与真核生物的RNA Pol II的相似。异源表达的Loki和奇古菌aCPSF1具有同样的终止功能，表明该蛋白是古菌通用的全局转录终止因子（Nucleic Acids Res, 2020)。后续研究已发现aCPSF1特异识别的RNA序列。

　　结合蛋白结构解析、分子生物学及生化实验，阐明了古菌核酸酶RNase J的底物识别、催化及水解连续性等分子机制（Mol Micro. 2017），并发现其双链RNA解链新活性且解析了其水解所偶联的解链分子机制（RNA Biol. 2020b）；以及RNase Z参与加工rRNA前体中的tRNA（Front Microbiol, 2020）。

　　发现首个古菌冷休克蛋白TRAM及其发挥组学水平转录后调控：

　　TRAM在古菌中分布广泛且进化保守，是我们发现的首个古菌冷休克蛋白（Front Microbiol., 2017）；但失活该基因导致甲烷球菌在最适生长温度下的生长显著下降并有55%的基因转录水平改变；实验证明TRAM蛋白具有RNA分子伴侣活性，可辅助mRNA 5′UTR形成正确的结构而促进其基因的转录，从而在转录后水平全局影响转录组表达并保证古菌的最适生长（PLoS Genetics, 2019）。将表达TRAM基因导入水稻中，发现其可显著提高水稻的耐干旱和耐盐能力，提示了其在农业生产中的应用潜力。

　　证明S-layer蛋白N-糖基化是嗜冷甲烷古菌“进化”为中温菌的基础：

　　嗜冷甲烷古菌在18°C（最适生长温度）连续传代后似乎“进化”为中温菌，研究证明细胞壁S-层蛋白在高浓度底物及30°C培养时提高N-糖基化水平，提高了细胞壁的稳定性。S-层蛋白被四糖修饰，4个N-糖基化位点（FEBS Let., 2019）。

　　2）链球菌抗氧胁迫机制研究

　　链球菌是革兰氏阳性、兼性厌氧细菌，它们主要栖息在人类口腔及上呼吸道，与人类健康密切相关。链球菌的独特之处是不产生高效分解H2O2的触酶，因此有氧代谢时积累大量的H2O2。同时，它们也能耐受高浓度的H2O2，提示它们具有独特的抗氧化机制。研究人员发现，链球菌生长时产生的内源性H2O2帮助它们抵抗高浓度的H2O2胁迫，而H2O2自诱导防御的分子机制尚不清楚。

　　发现链球菌水孔蛋白具有外排H2O2 、提高种内及种间竞争力的功能：

　　我们的研究鉴定了一个水孔蛋白So-AqpA协助链球菌H2O2的跨膜扩散，帮助链球菌解毒，并提高其种间竞争力。并发现H2O2诱导So-aqpA基因表达，单分子超分辨显微成像发现在H2O2存在时每个细菌细胞合成上百个水孔蛋白，从而帮助细菌排除胞内的H2O2降低氧胁迫，而且提升细菌种内及种间竞争力。研究结果发表在J Bio Chem (2019)。被邀请撰写原核生物水孔蛋白的综述（Cells， 2019）。

　　揭示了链球菌独特的H2O2自诱导防御的分子机制：

　　过氧化物响应抑制蛋白PerR及锰转运抑制蛋白MntR的半胱氨酸感应胞内低的H2O2，并被氧化失活从而解除对所抑制的抗氧胁迫基因（巯基氧化还原及金属离子平衡蛋白）的表达，发挥抗氧化功能。先前的研究证明40 μM H2O2氧化锰转录调控蛋白MntR的半胱氨酸使之失活（Chen et al., J Biol Chem, 2017），本研究通过Redox western blot、Cys点突变、免疫沉淀结合质谱分析，证实40 μM H2O2可氧化过氧化物响应抑制蛋白PerR的Cys139及Cys142。而PerR的半胱氨酸氧化导致其结构性锌离子丢失，使之可逆性失活，解除对其调控的巯基氧化还原（trx和tpx）及金属离子平衡等基因（dpr及mntABC）的抑制。我们的研究结果揭示链球菌为适应其胞内独特的高锰环境，PerR蛋白利用半胱氨酸氧化感应H2O2，并调控巯基氧化还原蛋白及金属离子平衡蛋白的表达，帮助触酶阴性的链球菌抵抗H2O2胁迫。研究结果发表在mSystems (2020)。