细胞色素c是呼吸链重要的组成部分,Shewanella oneidensis拥有数量庞大的细胞色素c,赋予其呼吸多种电子受体的能力,其中包括延胡索酸、TMAO、硝酸盐、亚硝酸盐、多种金属化合物等。目前,该菌已成为研究细胞色素c成熟及功能,以及呼吸途径分子机制的模式菌株。本论文在本实验室前期的工作基础上,继续关注该菌细胞色素c蛋白的功能及与之相关的生物过程,在两个方面进行了较为深入的研究,取得了较好的成绩：i)通过突变研究系统检验了S. oneidensis所有细胞色素c的部分生理学影响和细胞色素c的成熟系统的必要组分；ii)解析了亚硝酸盐抑制延胡索酸等其它电子受体呼吸的分子机理。1.S. oneidensis细胞色素c功能检验和细胞色素c成熟系统的组分确定已有的S. oneidensis缺失突变株的构建方法一直具有费时、耗力、可靠性差等特点。为了提高可靠性和效率,本论文开发了基于att同源重组技术的基因敲除体系。利用此系统,我们获得了尚未得到的部分细胞色素c突变株,完成了全套41株细胞色素c突变株库的构建。其次,确定了S. oneidensis中细胞色素c成熟(Ccm)系统。在其基因组中预测有两个编码Ccm系统的基因簇,SO0259-SO0269和SO0476-SO0478。前者被证实是细胞色素c成熟必须的组分,而后者的功能可有可无。不同于其他Y-变形菌纲细菌Ccm系统只有唯一操纵子的结构,SO0259-SO0269基因簇包含4个操纵子,ccmABCDE,scyA,SO0265和ccmFGH-SO0269。功能分析发现除scyA与SO0269以外,其余基因均为Ccm系统所必需。2.亚硝酸盐对S. oneidensis胞内cAMP水平及延胡索酸呼吸的影响细菌生存的实际环境中存在多种电子受体(EAs),然而,细菌如何应答EAs及其利用的先后顺序的机制,以及多种EAs之间相互作用如何影响细菌的生态生理学知之甚少。其中著名的案例是亚硝酸盐作为传统的抑菌剂,会对细胞产生毒害作用。本论文的研究发现,亚硝酸盐会抑制S. oneidensis对延胡索酸的呼吸利用。该抑制不是通过转化为NO造成的,而是导致了环化腺苷单磷酸盐(cAMP)产量的减少。cAMP作为第二信使可以结合并激活其受体蛋白Crp,以cAMP-Crp调节细胞的呼吸。如果亚硝酸盐不能被有效及时清除,胞内的cAMP水平下降将损害Crp的活性。最终的结果导致亚硝酸还原酶NrfA,醌脱氢酶CymA和延胡索酸还原酶FccA合成减少。与之相对的是,当细胞利用TMAO作为EAs时,亚硝酸盐可以同时被利用,使得最终的生物量提高。其次,本论文发现亚硝酸盐还会抑制S. oneidensis对周质空间其它EAs的呼吸。其中一个原因是,亚硝酸盐诱导出大量的硝酸还原酶系的小亚基细胞色素蛋白c NapB。在这种情况下,NapB可以与多种锚定在内膜的醌脱氢酶发生相互作用,作为电子穿梭载体将电子从醌库传递给胞外的EAs。研究显示Mtr系统参与NapB传电子的过程,该多组分的外膜系统是负责传递电子至胞外空间的重要通路。简言之,本论文的上述结果表明,细菌可以通过一种不利用能量产出且具有毒性的EA来调节其多枝状的呼吸网络。