Structural Basis for Feed-Forward Transcriptional Regulation of Membrane Lipid Homeostasis in Staphylococcus aureus

11 p.

Negative regulation of transcription factors by Srb10 cyclin-dependent kinase

The ubiquitin-dependent proteolytic pathway plays an important role in a broad array of cellular processes, inducting cell cycle control and transcription. Biochemical analysis of the ubiquitination of Sic1, the B-type cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitor in budding yeast helped to define a ubiquitin ligase complex named SCF^cdc4 (for Skp1, Cdc53/cullin, F-box protein). We found that besides Sic1, the CDK inhibitor Far1 and the replication initiation protein Cdc6 are also substrates of SCF^cdc4 in vitro. A common feature in the ubiquitination of the cell cycle SCF^cdc4 substrates is that they must be phosphorylated by the major cell cycle CDK, Cdc28. Gcn4, a transcription activator involved in the general control of amino acid biosynthesis, is rapidly degraded in an SCF^cdc4-dependent manner in vivo. We have focused on this substrate to investigate the generality of the SCF^cdc4 pathway. Through biochemical fractionations, we found that the Srb10 CDK phosphorylates Gcn4 and thereby marks it for recognition by SCF^cdc4 ubiquitin ligase. Srb10 is a physiological regulator of Gcn4 stability because both phosphorylation and turnover of Gcn4 are diminished in srb10 mutants. Furthermore, we found that at least two different CDKs, Pho85 and Srb10, conspire to promote the rapid degradation of Gcn4 in vivo. The multistress response transcriptional regulator Msn2 is also a substrate for Srb10 and is hyperphosphorylated in an Srb10-dependent manner upon heat stress-induced translocation into the nucleus. Whereas Msn2 is cytoplasmic in resting wild type cells, its nuclear exclusion is partially compromised in srb10 mutant cells. Srb10 has been shown to repress a subset of genes in vivo, and has been proposed to inhibit transcription via phosphorylation of the C-terminal domain of RNA polymerase II. Our results suggest a general theme that Srb10 represses the transcription of specific genes by directly antagonizing the transcriptional activators.

Electron flow through cytochrome P450

The cytochromes P450 (P450s) are a remarkable class of heme enzymes that catalyze the metabolism of xenobiotics and the biosynthesis of signaling molecules. Controlled electron flow into the thiolate-ligated heme active site allows P450s to activate molecular oxygen and hydroxylate aliphatic C–H bonds via the formation of high-valent metal-oxo intermediates (compounds I and II). Due to the reactive nature and short lifetimes of these intermediates, many of the fundamental steps in catalysis have not been observed directly. The Gray group and others have developed photochemical methods, known as “flash-quench,” for triggering electron transfer (ET) and generating redox intermediates in proteins in the absence of native ET partners. Photo-triggering affords a high degree of temporal precision for the gating of an ET event; the initial ET and subsequent reactions can be monitored on the nanosecond-to-second timescale using transient absorption (TA) spectroscopies. Chapter 1 catalogues critical aspects of P450 structure and mechanism, including the native pathway for formation of compound I, and outlines the development of photochemical processes that can be used to artificially trigger ET in proteins. Chapters 2 and 3 describe the development of these photochemical methods to establish electronic communication between a photosensitizer and the buried P450 heme. Chapter 2 describes the design and characterization of a Ru-P450-BM3 conjugate containing a ruthenium photosensitizer covalently tethered to the P450 surface, and nanosecond-to-second kinetics of the photo-triggered ET event are presented. By analyzing data at multiple wavelengths, we have identified the formation of multiple ET intermediates, including the catalytically relevant compound II; this intermediate is generated by oxidation of a bound water molecule in the ferric resting state enzyme. The work in Chapter 3 probes the role of a tryptophan residue situated between the photosensitizer and heme in the aforementioned Ru-P450 BM3 conjugate. Replacement of this tryptophan with histidine does not perturb the P450 structure, yet it completely eliminates the ET reactivity described in Chapter 2. The presence of an analogous tryptophan in Ru-P450 CYP119 conjugates also is necessary for observing oxidative ET, but the yield of heme oxidation is lower. Chapter 4 offers a basic description of the theoretical underpinnings required to analyze ET. Single-step ET theory is first presented, followed by extensions to multistep ET: electron “hopping.” The generation of “hopping maps” and use of a hopping map program to analyze the rate advantage of hopping over single-step ET is described, beginning with an established rhenium-tryptophan-azurin hopping system. This ET analysis is then applied to the Ru-tryptophan-P450 systems described in Chapter 2; this strongly supports the presence of hopping in Ru-P450 conjugates. Chapter 5 explores the implementation of flash-quench and other phototriggered methods to examine the native reductive ET and gas binding events that activate molecular oxygen. In particular, TA kinetics that demonstrate heme reduction on the microsecond timescale for four Ru-P450 conjugates are presented. In addition, we implement laser flash-photolysis of P450 ferrous–CO to study the rates of CO rebinding in the thermophilic P450 CYP119 at variable temperature. Chapter 6 describes the development and implementation of air-sensitive potentiometric redox titrations to determine the solution reduction potentials of a series of P450 BM3 mutants, which were designed for non-native cyclopropanation of styrene in vivo. An important conclusion from this work is that substitution of the axial cysteine for serine shifts the wild type reduction potential positive by 130 mV, facilitating reduction by biological redox cofactors in the presence of poorly-bound substrates. While this mutation abolishes oxygenation activity, these mutants are capable of catalyzing the cyclopropanation of styrene, even within the confines of an E. coli cell. Four appendices are also provided, including photochemical heme oxidation in ruthenium-modified nitric oxide synthase (Appendix A), general protocols (Appendix B), Chapter-specific notes (Appendix C) and Matlab scripts used for data analysis (Appendix D).

The effects of environmental stress on the physiology of growth in rainbow trout, Salmo gairderi Richardson

There is little doubt that both mammalian and teleost growth hormones can accelerate growth and increase food conversion efficiency in all commonly-reared species of salmonid fish. In those vertebrates that have been closely studied (predominantly mammals), the pituitary hormone somatotropin (GH or growth hormone) is a prime determinant of somatic growth. The hormone stimulates protein biosynthesis and tissue growth, enhances lipid utilization and lipid release from the adipose tissues (a protein-sparing effect) and suppresses the peripheral utilization of glucose. The present study is a prerequisite for future work on growth hormone physiology in salmonids and should contribute to our understanding of the mechanisms of growth suppression in stressed fish. Plasma growth hormone (GH) levels were measured in rainbow trout using a radioimmunoassay developed against chinook salmon growth hormone.

Efeitos de diferentes dietas hiperlipídicas na via L-arginina-óxido nítrico e no stress oxidativo em eritrócitos de camundongos C57BL/6

Introdução: o óxido nítrico (NO) é um gás inorgânico com uma meia-vida curta e tem um papel crítico na manutenção da homeostase vascular e fluidez sanguínea. O NO é sintetizado a partir do aminoácido L-arginina por uma família de enzimas NO sintases (NOS). Estudos têm mostrado que eritrócitos expressam NOS endotelial (eNOS) funcional, que serve como uma fonte de NO intraluminal. Além disso, eritrócitos participam da defesa antioxidante removendo os radicais livres e prevenindo o dano oxidativo às membranas biológicas e a destruição do NO. Dietas hiperlípidicas estão associadas a um risco aumentado de doença cardiovacular e síndrome metabólica, mas os exatos mecanismos não estão completamente esclarecidos. O objetivo deste estudo foi investigar os efeitos de diferentes dietas hiperlípidicas na via L-arginina-NO e o estresse oxidativo em eritrócitos de camundongos. Metodologia: camundongos machos C57BL/6 de três meses de idade receberam diferentes dietas por 10 semanas: dieta normolipídica ou dieta hiperlipídica contendo banha de porco (HB), óleo de oliva (HO), óleo de girassol (HG) ou óleo de canola (HC). Foram analisados o transporte de L-arginina mediado pelos transportadores catiônicos y+ e y+L, a atividade da NOS, a expressão da eNOS e da NOS induzível (iNOS), a formação de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS) e a atividade das enzimas antioxidantes catalase (CAT) e superóxido dismutase (SOD). Resultados: o transporte total de L-arginina estava aumentado no grupo HO em comparação aos controles e aos outros grupos com dieta hiperlipídica. Quando o transporte foi fracionado, o sistema y+ estava mais ativado no grupo HO em relação aos controles e outros grupos que receberam dieta hiperlipídica. O transporte de L-arginina via sistema y+L estava maior nos grupos HO, HG e HC comparados aos grupos controle e HB. Adicionalmente, a atividade basal da NOS e a expressão de eNOS estavam aumentadas em eritrócitos independente do tipo de dieta hiperlípidica insaturada. Observou-se uma maior expressão da iNOS no grupo HO comparado ao controle. Em contraste, o grupo HB apresentou uma inibição da via L-arginina-NO. A análise da peroxidação lipídica, através da formação de TBARS, e da atividade da enzima antioxidante CAT não revelou diferenças entre os grupos, ao contrário do grupo HO, que induziu uma ativação de outra enzima antioxidante, a SOD. Conclusões: o presente estudo proporciona a primeira evidência de que os sistemas y+ e y+L regulam o transporte aumentado de L-arginina em eritrócitos de camundongos do grupo HO. Além disso, todas as dietas hiperlipídicas insaturadas induzem um aumento da atividade basal da NOS associada a uma expressão elevada da eNOS. É possível que diferentes mudanças na composição lipídica da membrana plasmática induzidas pelas dietas possam afetar transportadores e enzimas nos eritrócitos. Além disso, a inibição da via L-arginina-NO no grupo HB pode contribuir para o desenvolvimento da aterosclerose, enquanto dietas hiperlipídicas insaturadas podem ter um efeito protetor via aumento da geração de NO.

The E2F2 Transcription Factor Sustains Hepatic Glycerophospholipid Homeostasis in Mice

Increasing evidence links metabolic signals to cell proliferation, but the molecular wiring that connects the two core machineries remains largely unknown. E2Fs are master regulators of cellular proliferation. We have recently shown that E2F2 activity facilitates the completion of liver regeneration after partial hepatectomy (PH) by regulating the expression of genes required for S-phase entry. Our study also revealed that E2F2 determines the duration of hepatectomy-induced hepatic steatosis. A transcriptomic analysis of normal adult liver identified "lipid metabolism regulation" as a major E2F2 functional target, suggesting that E2F2 has a role in lipid homeostasis. Here we use wild-type (E2F2(+/+)) and E2F2 deficient (E2F2(-/-)) mice to investigate the in vivo role of E2F2 in the composition of liver lipids and fatty acids in two metabolically different contexts: quiescence and 48-h post-PH, when cellular proliferation and anabolic demands are maximal. We show that liver regeneration is accompanied by large triglyceride and protein increases without changes in total phospholipids both in E2F2(+/+) and E2F2(-/-) mice. Remarkably, we found that the phenotype of quiescent liver tissue from E2F2(-/-) mice resembles the phenotype of proliferating E2F2(+/+) liver tissue, characterized by a decreased phosphatidylcholine to phosphatidylethanolamine ratio and a reprogramming of genes involved in generation of choline and ethanolamine derivatives. The diversity of fatty acids in total lipid, triglycerides and phospholipids was essentially preserved on E2F2 loss both in proliferating and non-proliferating liver tissue, although notable exceptions in inflammation-related fatty acids of defined phospholipid classes were detected. Overall, our results indicate that E2F2 activity sustains the hepatic homeostasis of major membrane glycerolipid components while it is dispensable for storage glycerolipid balance.

Análise proteômica comparativa dos componentes da superfície celular e do secretoma de Aspergillus fumigatus

Aspergillus fumigatus é o principal agente etiológico da aspergilose invasiva, infecção fúngica oportunista com altas taxas de mortalidade afetando, principalmente, pacientes com neutropenia profunda e prolongada. Durante o processo de invasão e disseminação características desta infecção sistêmica, os conídios do fungo inalados e não eliminados pelas células do sistema imune inato diferenciam-se em hifas que, por sua vez, são angioinvasivas. Pouco se conhece sobre as moléculas da parede celular envolvidas na patogênese do A. fumigatus e/ou secretadas por este patógeno. Neste contexto, este trabalho procura ampliar o entendimento desta doença através do estudo de proteínas diferencialmente expressas na superfície de A. fumigatus durante a morfogênese. Foi utilizada uma abordagem proteômica e foram estudados extratos de superfície de células de A. fumigatus em diferentes estágios durante o processo de filamentação. Estas células foram denominadas, de acordo com o tempo de cultivo e a morfologia, como: TG6h (tubo germinativo), H12h ou H72h (hifas). As proteínas de superfície celular foram extraídas, a partir de células intactas, por tratamento brando com o agente redutor DTT (ditiotreitol). Observou-se que o perfil funcional das proteínas expressas por H12h e H72h foi similar, com exceção de proteínas relacionadas à resposta ao estresse, enquanto o perfil para TG6h apresentou diferenças significativas para vários grupos funcionais de proteínas quando comparado às hifas. Desta forma, foram realizados experimentos de proteômica diferencial entre tubo germinativo (TG6h) e a hifa madura (H72h), pela técnica de DIGE (differential gel electrophoresis). Os resultados revelaram que entre as proteínas diferencialmente expressas, aquelas relacionadas às vias de biossíntese e outras denominadas multifuncionais encontraram-se superexpressas em TG6h. Em relação às proteínas de resposta a estresse, observou-se que algumas HSPs eram mais expressas neste morfotipo, enquanto a MnSOD, relativa à resposta ao estresse oxidativo, era mais abundante na hifa. Com exceção da PhiA, integrante da parede celular, as proteínas identificadas como diferencialmente expressas na superfície do A. fumigatus não possuem sinal para secreção identificável, enquadrando-se nas proteínas atípicas de superfície. Foi verificada a integridade da membrana celular após tratamento com DTT, bem como a marcação por biotina das proteínas extraídas, o que comprovou sua localização superficial na célula fúngica. Hipóteses de que estas proteínas sejam endereçadas à parede celular por via secretória alternativa sustentam estes dados. Estas evidências foram confirmadas pelo fato de não terem sido encontradas as mesmas proteínas da superfície na análise do secretoma do A. fumigatus. Além disso, todas as proteínas caracterizadas no secretoma apresentavam sinal de secreção determinado pelo FunSecKB (www.proteomics.ysu.edu/secretomes/fungi.php). A análise do secretoma foi realizada utilizando-se a cepa selvagem AF293 e a mutante ∆prtT, mutante para um fator de transcrição que atua na regulação da secreção de proteases. Os resultados revelam a ALP1 como expressa na cepa selvagem, assim como outras proteases importantes para virulência e desenvolvimento da célula fúngica, estando suprimidas quando o gene prtT foi deletado.

Mecanismos celulares e moleculares envolvidos com alterações na expressão de glicanos durante a progressão do câncer colorretal

O câncer colorretal representa uma das maiores causas de morbidade e mortalidade relacionadas ao câncer. No Brasil, é o terceiro tipo de câncer mais frequente em homens e mulheres. Muitos estudos estão sendo desenvolvidos no sentido de esclarecer os diversos aspectos moleculares que regulam as alterações fenotípicas exibidas pelas células que constituem o câncer colorretal, no entanto, comparativamente, ainda são poucos os que são dedicados a investigar o papel de modificações co- e pós-traducionais neste processo. Entre os vários tipos destas modificações que ocorrem em proteínas, a glicosilação é a mais comum. Cogita-se que aproximadamente cinquenta por cento de todas as proteínas são glicosiladas. Durante a transformação maligna, mudanças no perfil de expressão de glicanos (carboidratos covalentemente ligados a proteínas ou lipídios) estão envolvidas em uma variedade de mecanismos celulares, tais como: perda da adesão célula-célula e célula matriz, migração, invasão e evasão da apoptose. Neste estudo, foi investigada a atividade antitumoral de inibidores da biossíntese de N-glicanos, swainsonina e tunicamicina, em células derivadas de câncer colorretal (Caco-2, HCT-116 e HT-29). Os resultados obtidos mostram que o tratamento das células HCT-116 com tunicamicina inibe mecanismos celulares relacionados ao fenótipo maligno, como formação de colônia dependente e independente de ancoragem, migração e invasão. Estes resultados sugerem que modulação da biossíntese de N-glicanos parece ser uma potencial ferramenta terapêutica para o tratamento do câncer colorretal. Em outra etapa do trabalho, foram avaliados também o impacto da estimulação com insulina e IGF-1 na expressão N-glicanos bissectados em células tumorais MDA-MB-435. Os resultados obtidos confirmaram também a existência de uma relação entre a estimulação dos receptores de insulina e IGF-1 e a regulação da expressão de N-glicanos bissectados em células tumorais MDA-MB-435, fornecendo assim informações relevantes sobre o papel desempenhado pela sinalização de insulina e IGF-1 durante a progressão de carcinomas.

Investigação da atividade toxicológica de análogos de estatinas em modelos experimentais in vitro

As estatinas são fármacos inibidores competitivos da enzima hidroxi-3-metil-glutaril Coenzima A (HMGCoA) redutase, amplamente utilizados para o controle da hipercolesterolemia total e, em especial, para a redução dos níveis séricos de LDLc (Low Density Lipoprotein cholesterol). Além do efeito primário, esses fármacos apresentam vários efeitos secundários, chamados de efeitos pleiotrópicos, envolvendo atividade anti-inflamatória, antitumoral e antiparasitária. Para o desenvolvimento de inovações na área de química medicinal é imprescindível avaliar o risco de efeitos adversos para saúde ou, em outras palavras, a segurança terapêutica do novo produto nas condições propostas de uso. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi investigar a genotoxicidade de quatro análogos inibidores da biossíntese de lipídios, da classe das estatinas, em modelos experimentais in vitro, testados previamente contra o clone W2 de Plasmodium falciparum a fim de se obter o IC50 dessas moléculas frente ao patógeno. Foram desenvolvidas quatro novas moléculas (PCSR02.001, PCSR09.001, PCSR08.002 e PCSR10.002). Para a avaliação da toxicidade, foram realizados o teste de mutagenicidade bacteriana (teste de Ames), o ensaio de viabilidade celular utilizando o reagente WST-1 e o ensaio de indução de micronúcleos, ambos utilizando uma linhagem ovariana (CHO-K1) e uma linhagem hepática (HepG2). Levando em conta o fato de nenhuma das amostras ter induzido efeitos mutagênicos nas linhagens de S. enterica sorovar Typhimurium, e PCSR10.002 ter apresentado citotoxicidade sugere-se então que este composto seja o mais tóxico. Comparativamente, PCSR10.002 foi mais genotóxico e citotóxico para a linhagem CHO-K1 do que para a linhagem HepG2. PCSR02.001 apresentou elevado potencial genotóxico para células ovarianas, mas não foi capaz de induzir a formação de micronúcleos em células hepáticas, apresentando, portanto um perfil similar ao observado em PCSR10.002. Assim como a atorvastatina, PCSR09.001 apresentou elevado potencial pró-apoptótico para a linhagem de hepatócitos. Já PCSR08.002, apresentou aumento na apoptose de CHO-K1. A indução de apoptose não é necessariamente um evento negativo, já que é pouco lesiva e responsável pela eliminação de células danificadas. Porém, as respostas de apoptose induzidas por esse composto foram muito inferiores àquelas induzidas pela atorvastatina (cerca de 4 vezes menor que a atorvastatina). PCSR08.002 foi aquele se mostrou menos tóxico e essa amostra foi a que teve menor risco relativo, em uma análise global das respostas de citotoxicidade e não demonstrou ter potencial genotóxico para as linhagens utilizadas nesse estudo. Conclui-se, portanto, que a análise da atividade toxicológica utilizando modelos experimentais in vitro dessas estatinas constitui um importante passo para o estabelecimento de novos candidatos à fármacos com maior segurança.

胡萝卜素β-和ε-环化酶及辣椒红/辣椒玉红合酶基因的分离及特性研究

利用3’和5' RACE、Uneven PCR等技术成功地从胡萝卜肉质根中分离了茄红素β-环化酶、茄红素ε．环化酶和辣椒红／辣椒玉红素合酶cDNA以及茄红素β一环化酶基因5’端上游的部分序列，并研究了它们在胡萝卜肉质根中的表达模式，对胡萝卜中类胡萝卜素代谢和积累的分子机制进行了探讨。 胡萝卜茄红素β--环化酶cDNA（DCLYC1）长2089bp，包含一个1515bp的开放阅读框架，所编码蛋白长505个氨基酸，其一级结构与番茄、烟草和辣椒等植物的茄红素β--环化酶高度同源。与农杆菌和夏噬孢欧文氏菌等微生物的茄红素环化酶相似性较差，但相互间有3个短小的同源区，且蛋白疏水模式也十分相似。茄红素β--环化酶在胡萝卜肉质根中的表达受品种和组织特异性的调控。在紫色的富含茄红素的“齐头红”胡萝卜肉质根中该基因的表达受到了强烈的抑制，相反，在橙色的富含β--和α--胡萝卜素的“CA201”胡萝卜肉质根中表达十分活跃。茄红素β--环化酶和八氢番茄红素合酶基因的表达在肉质根的韧皮部和木质部之间存在差异，在韧皮部中的表达强于木质部。类胡萝卜素生物合成基因的差异表达是造成不同胡萝卜品种和组织中积累的类胡萝卜素的种类和含量不同的原因。 对紫色品种和橙色品种的茄红素β--环化酶基因组DNA的PCR分析表明两者的基因组中均存在茄红素β一环化酶基因。为了探明茄红素β--环化酶基因在不同胡萝卜品种中差异表达的原因，利用Uneven pCR从胡萝卜基因组DNA中分离克隆了茄红素β--环化酶基因5’端上游部分序列。该DNA片段长1.7kb，3’端286bp区域与DCLYC1的5’端序列交叉重叠，在GenBank中没有找到相似的序列。在1294bp-1336bp位置串连着3个TATA盒，结构十分特殊，在TATA盒上游大约700bβ位置有2个CAAT盒。瞬间表达实验证明它具有启动子活性，可以指导GUS基因在胡萝卜肉质根、叶片和茎等组织中表达。然而，其表达模式却与茄红素B．环化酶基因的Northern杂交结果不同，主要在韧皮部和木质部交界的分生组织中表达，同时在紫色胡萝卜肉质根中其表达并没有受到抑制。这一片段可能还不是完整的胡萝卜茄红素β--环化酶基因启动子，缺少了调控基因进行品种和组织特异性表达的部分序列元件。因此，分离更长的胡萝卜茄红素环化酶基因5’端上游序列，将有助于揭示茄红素β一环化酶基因呈品种和组织特异性表达的分子机制。 所分离的胡萝卜辣椒红／辣椒玉红素合酶cDNA (DCCCS)长1744bp，包含一个长1476bp的开放阅读框架，所编码蛋白长492个氨基酸。与辣椒和柑桔CCS的氨基酸序列同源性分别为为76.6%和75.3%，与DCLYC1等其它植物茄红素β--环化酶的氨基酸序列同源性为63.9-67.4%。DCCCS的表达模式在两个不同颜色的品种之间十分相似，在肉质根韧皮部中强烈表达，而在木质部中表达明显受到了抑制。由于CCS与LYC-B高度同源，有人认为CCS可能具有茄红素环化酶活性，然而本研究结果表明，DCCCS虽然在紫色的齐头红胡萝卜肉质根韧皮部中强烈表达，却没有影响细胞中积累大量的茄红素，因此DCCCS即使具有茄红素环化酶作用，其活性也是极低的。 分离到的胡萝卜茄红素ε--环化酶cDNA片段(DCL YC-E)长1264bp，包含了完整的3’端，5’端尚不完整。按照引物LYCP1上的阅读框架进行翻译得到长385个氨基酸的肽链与莴苣、番茄和拟南芥LYC-E肽链相应区域的氨基酸序列高度同源，达80.5%以上，其中与莴苣茄红素ε--环化酶最为接近。与拟南芥茄红素ε--环化酶第448位基团和莴苣茄红素ε--环化酶第457位基团对应的氨基酸基团为H。这一基团是一个分子开关，决定茄红素ε--环化酶是催化茄红素的一端还是两端形成ε--环，因此，胡萝卜茄红素ε--环化酶可能与莴苣茄红素ε--环化酶具有相同的功能，即可以催化对称的线性茄红素的两端均形成ε--环，生成双ε--环胡萝卜素。DCLYC-E在胡萝卜肉质根中表达模式与DCLYCI不同，在紫色品种齐头红肉质根韧皮部中表达十分强烈，没有受到抑制，而且明显强于木质部;在橙色品种CA201中DCLYCE的表达模式与DCLYCI相似，韧皮部中表达强，而木质部中相对弱得多。DCL YC-E的表达模式在所测试品种间没有差异。在富含茄红素的齐头红胡萝卜肉质根中DCL YC-E强烈表达，可见它并没有将茄红素大量转化为双ε--环胡萝卜素，因此该酶的功能和活性有待进一步研究。

青蒿的遗传转化及青蒿素生物合成的调控

利用发根农杆菌(Agrobacterium rhizogenes)1601，1000，1500，15834，A4，均成功地转化了中药青蒿(Artemisia annua L.)并且建立了pRi1601，pRi15834，pRiA4诱导的发根培养。pRi1601，pRi15834的发根诱导率比其它质粒高。太老或太幼的叶片不利子发根的诱导;发根主要从叶脉的伤口处萌发;带顶芽或带侧芽的叶片容易诱导根，但不一定是发根。光照有利于发根的诱导和发根的生长。以每个发根的“绝对生长速率”(Gtowth Ratio，GR)和绝对“侧根”数量(Number of Side Roots，NSR），通过大量的发根系的筛选，建立了8个发根系，1601-L-1, 1601-L-2, 1601-L-3, 1601-L-4, 15834-L-1, 1601-P-I, 16 01-P-2，15834-L-2。Southern分子检测表明，160l-1-1，1801-L-2, 1601-L-3，1601-L-4，1601-P-1，1601-P-2均为转化子。8个建立的发根系之间无论生长或者QHS的合成存在明显的差异。比较光／暗(16/8hrs)，25℃条件下培养的16 01-L-1，1601-L-2，1601-L-3，1601-L-4，1601-P-l，和1601-P-2，其中16 01-L-3的生长最快，160l-L-1的生长最慢;但是，1601-L-1的QHS的含量最高（可达1. 048%），1601-1-3的QHS的含量最低。160Z-L-3，15834 -L-1和2583:1-L-2的生长速率相差不大。用盛有l000mLMS液体培养基的3000mL的锥形瓶扩大培养1601-L -3，15834-L-1和15834-L-2，转速为ll0rlpm，培养过程中发根容易形成发根球（Hairy Root Balis，HRB），HRB的形成严重影响发根的生长和QHs的合成，HpLC分析表明扩大培养发根中QHS的含量比较低。 改变MS基本培养基中的无机离子的浓度，研究不同无机离子对发根生长和QHS的合成的影响。 l、KN03为18.79×10-3M时有利于1601- L-1生长，为14. 84×10-3M时有利于QHS的合成。NH-4N0-3浓度在10.93-12. 49×10—3M范围内有利于1601-L-1生长，在0-20.62×10-3M范围内对QHS的合成影响不大，大于20. 62×lO-3M不利QHS的合成。培养基中NH-4+／N0-3-比值为0. 37-0. 4-0.52:1时有利于发根的生长，比值为0.52 - 0.58:1时有利于QHS的合成。 2、H-2P0-4-浓度为2.498×10-3M时有利于发根的生长在0-2. 498×l0-3M范围内，随着浓度的提高，促进发根的生长。培养基中的H2P4 -的浓度在0-1.249×lO-3M的范围内，随着浓度的提高，促进QHS的合成，为1.249×10-3M时QHS的含量最高。 3、培养基中最适16 01-L-1生长的Ca-2+浓度为0.198- 0.766×10-3M，大于或小于该浓度范围，显著地抑制发根的生长。但是，在0-3.695×10-3M范围内，随着培养基中Ca-2+浓度提高，促进QHS的合成，最适Ca-2+浓度为3.695×l0-3M。 4、培养基中不加Mg-2+时，完全抑制发根生长，在0. 142×10-3M-7.506×l0-3M浓度范围内，对发根生长影响没有明显的差别。但是，HPLC和UV分析发根中QHS含量，培养基中不加Mg-2+时，发根中QHS含量最高。 5、培养基中的Fe-2+浓度在0. 25 -1．0×10-3M范围内，同时有利于16 01- L-1的生长和QHS的形成。 6、培养基中最适合予16 01- L-3生长的KI浓度为2.5ppm，大于或小予该浓度均显著地抑制发根的生长，培养基中加入KI明显地降低发根中的QHS的含量。 7、H2BO3对l601-L-l生长影响不大，HPLC分析QHS的含量，培养基中的H3BO3浓度为100ppm和400ppm，QHS的含量分别为1.69mg/g和1.80mg/g(DW)。 8、Cu-2+对1601-L-3的生长影响显著，最适合1601-L-3生长的Cu-2+浓度为1.00ppm，在0 -1.00ppm的浓度范围内，随着培养基中的Cu+浓度的提高，发根的生物量不断增加。培养基中QHS合成的最适Cu2+浓度为0.05ppm，大于或小于该浓度均显著地抑制发根中QHS的合成。 比较光培养和暗培养对发根生长的影响，结果表明光照明显地促进1601-L-l的生长，暗培养明显不利于发根的生长。最适合于发根生长的温度为25℃，大于35℃显著地抑制发根的生长，影响发根的根尖细胞的正常分裂。 改变培养基中的蔗糖浓度和在发根培养的不同时期给培养基中添加蔗糖，试验结果表明蔗糖作为碳源对1601-L-3和1601-L-1的生长具有显著的影响。 (1)培养基中缺少蔗糖显著地抑制发根的生长。 (2)发根培养的前5天时间内，蔗糖浓度为30- 60glL昀培养基最有利于发根的生长，50glL的培养基中的发根生长最快，培养基中的蔗糖浓度大于60g/L小于30g／L时，发根的生物量增加较少。 (3)发根培养至第15天时，蔗糖浓度为60g/L的培养基最有利予发根的生物量的增加。发根培养至30天时，蔗糖浓度为60-90g/L的培养基，发根的生物量的增加相差不大，但是为蔗糖浓度为30-40g/L的培养基中的发根生物量一倍。 (4)发根培养过程中，分别于第5和15天给蔗糖浓度为30g/L的培养基中添加一次或二次蔗糖，使培养基中的蔗糖终浓度相当于60g/L或90g/L，培养至30天时，添加蔗糖的培养基中的发根的干重生物量相当于不添加蔗糖培养基中的发根生物量一倍，相当于初始蔗糖浓度为60g/L和90g/L培养基中发根的生物量。 (5)随着培养基中蔗糖浓度的提高，发根干重/鲜重比显著增加。培养基中的蔗糖的消耗量与发根生物量的增加呈正相关，蔗糖消耗越多，发根生物量的增加越大。 比较pH值对发根生长和QHS合成的影响表明，灭菌前pH值在5.O-6.5范围内的培养基适合予1601-L-1的生长，小于5.O不利于发根的生长，pH5.8有利于1601-1-1生长和QHS的生物合成。发根收获时培养基中的pH值一般为4.5-5.2. pH7.O抑制发根的生长，pHl0.O对发根具有强烈的致死作用。发根在培养过程中，对培养基中的pH值具有显著的调节作用，发根能在很短的时间内(24- 48hrs)使pl:l值为5.8、6.4、7.0培养基降低到pH4. 5-5.2，pH为5.8的培养基有利于QHS合成。 比较不同基本培养基对发根生长和QHS合成的影响，试验结果表明N6、DCR、Litvay培养基有利于1601-L-1的生长，WS、White、B5培养基不利于发根的生长。DCR培养基中的QHS含量最高。 根据三水平试验选用三水平正交表来安排试验的原则，选用三水平正交表L7(3-)，研究多因子效应对发根生长和QHS合成的影响，试验结果表明，Mg2+，Fe2+，Mn-2+，NH4NO3，KN03 ,KI,Ca-2+为发根生长的主要因子，NH4N03，KNOs，Mg2+，Ca2+，肌醇为QHS合成的主要因子。 通过TLC分析发根中QHS和其它化学成分，同时比较发根和无菌苗及野生植株的化学成分，发根和无菌苗均能合成包括QHS在内的野生青蒿叶片中的大部分非挥发性的化台 物。 研究青蒿植株在发育过程中QHS的含量的变化以及发根、无菌苗和野生青蒿中QHS的合成，HP分析结果表明，l、不同的单株青蒿之间的QHS量相差很大。2、同一植株幼 叶的QHS含量比老叶的QHS含量高。3、不同单株青蒿之间达到最高QHS含量的时间不一样，开花期或开花之前。4、无菌苗（带根）或者不带根丛生芽均能合成QHS，但是带根的无菌蕾的QHS量比丛生芽中的QIS的含量高。5、不同发根农杆菌转化的发根系1601-L-1和15834-L-1都能合成ＱＨＳ。

Liver genomic responses to ciguatoxin: evidence for activation of Phase I and Phase II detoxification pathways following an acute hypothermic response in mice

Ciguatoxins (CTX) are polyether neurotoxins that target voltage-gated sodium channels and are responsible for ciguatera, the most common fish-borne food poisoning in humans. This study characterizes the global transcriptional response of mouse liver to a symptomatic dose (0.26 ng/g) of the highly potent Pacific ciguatoxin-1 (P-CTX-1). At 1 h post-exposure 2.4% of features on a 44K whole genome array were differentially expressed (p ≤ 0.0001), increasing to 5.2% at 4 h and decreasing to 1.4% by 24 h post-CTX exposure. Data were filtered (|fold change| ≥ 1.5 and p ≤ 0.0001 in at least one time point) and a trend set of 1550 genes were used for further analysis. Early gene expression was likely influenced prominently by an acute 4°C decline in core body temperature by 1 h, which resolved by 8 h following exposure. An initial downregulation of 32 different solute carriers, many involved in sodium transport, was observed. Differential gene expression in pathways involving eicosanoid biosynthesis and cholesterol homeostasis was also noted. Cytochrome P450s (Cyps) were of particular interest due to their role in xenobiotic metabolism. Twenty-seven genes, mostly members of Cyp2 and Cyp4 families, showed significant changes in expression. Many Cyps underwent an initial downregulation at 1 h but were quickly and strongly upregulated at 4 and 24 h post-exposure. In addition to Cyps, increases in several glutathione S-transferases were observed, an indication that both phase I and phase II metabolic reactions are involved in the hepatic response to CTX in mice.

青蒿异源基因的遗传转化及青蒿生物合成相关基因的克隆

本论文由三部分内容组成，一、药用青蒿的遗传转化，即根癌农杆菌和发 根农杆菌介导的转化系统的建立及其影响参数的研究。二、青蒿素生物合成的 分子调控。三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。 一、药用青蒿的遗传转化。建立了Ri质粒介导和Ti质粒介导的两种转基因系统， 其中Ri质粒介导青蒿转基因系统的建立是国际上首次报道;以GFP基因为报 告基因，首次获得高效表达的青蒿转绿色荧光蛋白基因的丛生芽，并对GFP基 因的表达进行了组织和细胞水平的定位。此外，对影响两种转基因系统的主要 参数进行了较为详细的研究。上述研究为青蒿素生物合成的分子调控奠定了坚 实的基础。 二、青蒿素生物合成的分子调控。为探索提高青蒿植株或组织和器官中的青蒿 素含量，首次以棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷酸合成酶的 cDNA 为 目的基因导入青蒿，对青蒿中青蒿素的生物合成进行了分子调控研究的尝试。 通过已建立的两种转基因系统，将从棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷 酸合成酶的 cDNA 导入青蒿，获得转基因发根和转基因植株。结果表明，外源 基因的表达能够影响青蒿素的生物合成，其中法呢基焦磷酸合成酶基因的过量 表达能够促进青蒿素的生物合成，提高转基因发根和植株中的青蒿素的含量。 转基因发根F-26系中青蒿素含量最高达3.01 mg/g.DW，与对照相比青蒿素含量 提高3～4倍;转基因植株的青蒿素含量最高达10.08 mg/g.DW，与对照相比， 转基因植株的青蒿素产物提高2～3倍。此外，研究还表明，在转基因的发根C -37株系中，外源杜松烯合成酶基因的导入和表达可能相应地促进青蒿转基因 发根自身的法昵基焦磷酸基因的表达。 三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。采用 RT-PCR 技术，从马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 幼叶中克隆了 HMGRII 亚基因家族的一个新的成员 HMGR-c2（GenBank accession No．AF 096838Southem）;杂交分析表明，该基因至少以 两个拷贝以上形式存在于马铃薯基因组中;RT-PCR分析表明，HMGR -c2的 表达在幼苗期无组织特异性，广泛地存在于根、茎、叶等组织中。以青蒿001 株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期的λgtll cDNA文库，以PCR筛库方 法从青蒿中克隆一个法呢基焦磷酸合成酶cDNA (Artfps2 GenBank accession No． AF136602)和一个HMGR cDNA(GenBank accession No．AF142473);以青蒿 025株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期部分质粒文库以 PCR 筛库方法从 青蒿中克隆一个法昵基焦磷酸合成酶 cDNA (Artfpsl GenBank accession No.AF112881);此外，还从青蒿中克隆了倍半萜合成酶的 cDNA 片段(GenBank accession No.AF156854)。其中青蒿倍半萜合成酶基因的克隆是目前国际上本研 究领域最受关注的焦点和难点之一。至此，本研究已将与青蒿素生物合成相关 的三个重要的关键酶基因基本克隆，这无疑将加速青蒿素生物合成的基础和应 用研究的进程。

水母雪莲细胞悬浮培养黄酮合成的调控及生物反应器放大培养

水母雪莲（Sausswea medusa Maxim）为菊科风毛菊属植物，其主要的活性成份为黄酮类化台物。为进一步提高雪莲细胞培养物的黄酮含量和实现雪莲细胞培养生产黄酮类化合物的工业化，本文开展了水母雪莲细胞悬浮培养黄酮生物合成的调控及雪莲细胞生物反应器放大培养的可行性研究。 在水母雪莲细胞悬浮体系中加入苯丙氨酸和乙酸钠两种前体，结果显示，它们均能促进细胞内黄酮的生物合成，但它们对细胞的生长也有一定的抑制作用。实验表明，前体的添加时间均以第6天为宜，它们的最佳添加浓度都是0.1 mmol/L。苯丙氨酸、乙酸钠两种前体协同添加，黄酮产量是对照的1.94倍，比它们单独加入更能促进细胞的黄酮合成。 两种非生物诱导子硝酸银和谷胱甘肚都能诱导水母雪莲悬浮培养细胞黄酮的生物合成，诱导子的作用效果与诱导于的浓度和添加时间有关。二者协同诱导，获得的黄酮产量达是对照的1.72倍，高于它们单独加入时的黄酮产量。 应用2L通气搅拌式生物反应器一步批式培养水母雪莲细胞。研究了搅拌转速、通气量和接种量对细胞生长和黄酮合成的影响，发现在75 r/min、700-1000 L/min和4.0-5.0 9 DW/L接种量下细胞生长和黄酮合成比较好。经过12 d培养细胞干重达13.8 9 DW/L,黄酮产量416 mg/L。水母雪莲细胞生长及黄酮合成的进程表明，黄酮积累与细胞生长呈正相关。对细胞聚集体分布的研究发现，剪切力等因素使细胞聚集体分裂，使反应器中细胞生长受到影响，黄酮产量较摇瓶中降低。

真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性研究

本论文主要包括以下两部分内容： 一、真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响 用3种真菌诱导子[大丽花轮枝孢（Verticillium dahliae Kleb.）、葡枝根霉(Rhizopus stolonifer (Ehrenb. ex Fr.) Vuill)和束状刺盘孢(Colleto trichumdematium (Pers.) Grove)]分别处理青蒿(Ar temisia annuaL．)的发根，这3种真菌诱导子均能促进发根中青蒿素的合成，其中以大丽花轮枝孢的诱导效果最好;对细胞生长均没有明显影响。经大丽花轮枝孢处理的发根中青蒿素含量达1. 12 mg/gDW，比对照(0. 77 mg/g DW)提高45%。诱导子的作用效果与诱导子浓度、诱导子作用时间及发根的生长状态有关。对大丽花轮枝孢来说，诱导子作用的最适浓度为每毫升培养基含糖0.4 mg;发根在指数生长末期对诱导作用最敏感：在加入诱导子4d后收获发根，发根中的青蒿素含量最高。 二、早花基因FPF1、co对青蒿开花时间的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性 1．将来源于拟南芥的早花基因Flowering Promoting Factorl (FPFl)插入到植物表达载体pBI121中，构建CaMV 35S启动子控制下含FPFl基因的植物表达载体pBI121FPF/，用含有pBI121FPF/质粒的根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404感染青蒿(Artemisia annua L.)叶片并诱导丛生芽，经卡那霉素筛选，获得转基因抗性植株。PCR、 PCR-Southem blot及Southern blot检测表明，外源基因FPFI已整合到青蒿基因组中：RT-PCR及RT-PCR Southern blot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，FPF1转基因植株的开花时间较对照提前20天左右，但提早开花的转基因植株与未开花的对照其青蒿素含量无明显差异，即提早开花并不能使开花植株的青蒿素含量有所提高，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。 2．将拟南芥的早花基因CONSTANS (CO)置于CaMV 35S启动子之下，通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404介导转入青蒿(Artemisia annuaL．)，使之在青蒿中表达，并得到了抗性植株。PCR、PCR-Southem blot及Southemblot检测表明，外源基因co已整合到青蒿基因组中;RT-PCR及RT-PCR Southemblot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，co转基因植株的开花时间较对照提前2周左右，但提早开花的转基因植株的青蒿素含量与未丌花的对照无明显差异，即植株开花前青蒿素含量的提高并不是由于开花本身引起的，再次证明，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。