摘要
SAR11细菌（Pelagibacterales）在海洋中分布广泛，且数量庞大，是海洋基因组精简结构生物的代表菌种，在海洋生态系统的生物地球化学循环中扮演着十分重要的角色。同时，SAR11细菌进化出了一系列特殊代谢机制应对各种海洋环境变化。目前围绕SAR11细菌应对环境变化的研究已经开展大量工作，主要集中在对特定环境因子的生理响应表征，但对SAR11细菌应对多种环境变化的代谢特征及应答机制仍知之甚少。 HTCC1062是第一个完成全基因组测序的SAR11细菌菌株。作为海洋基因组精简结构细菌的代表菌株，HTCC1062是海洋中拥有最小细胞的生物之一，是研究海洋精简结构细菌环境适应性及生态意义的最佳模式菌株。虽然目前已经对HTCC1062基因组完成了解读，但仍缺乏高质量的基因组注释信息，这也为研究精简结构细菌响应和适应多变海洋环境机制带来了挑战。 蛋白质是生命活动的物质承担者、生理功能的执行者和生命现象的直接体现者，研究蛋白质对阐明生命活动的本质规律和环境适应机制具有重要意义。本论文以海洋细菌 SAR11 的模式菌株 Candidatus Pelagibacter ubique HTCC1062（后文简称HTCC1062）为研究对象，综合运用蛋白质组学技术、蛋白质基因组学分析策略和磷酸化修饰蛋白质组学技术，并通过生物信息学分析和模型构建，研究了 13种不同生长条件和生长期的HTCC1062蛋白质组，绘制了蛋白质组全谱，并结合蛋白质基因组学分析完善了基因组注释;通过定量蛋白质组数据分析了蛋白质表达的整体特征，建立了蛋白质共表达及时间序列模型，构筑了蛋白质表达与环境因子之间的关联，揭示了 SAR11细菌应对多种环境变化的共有和特有响应机制;运用磷酸化蛋白质组学技术，结合蛋白质共表达模型和蛋白质互作分析，阐释了 6种环境条件下HTCC1062磷酸化修饰特征，筛选出应对环境变化的潜在蛋白质生物标志物和磷酸位点。取得以下研究结果: （1）综合了 13种条件下的HTCC1062蛋白质组数据，构建了 SAR11细菌高质量蛋白质组全谱，确认了原有基因组预测的1,284个蛋白质（占原有预测蛋白质总数的95％），修正了 24个基因的蛋白质编码区域，其中9个为非典型起始密码子;发现了 80个新基因，其中5个为基因间区基因、40个反向互补链基因、29个移码突变基因和6个新编码区域基因，有6个新蛋白质编码基因注释到功能，RNA-seq数据和质谱数据证实了新蛋白质编码基因的存在。这些结果极大提升了 SAR11细菌基因组注释的准确性和完整性，增进了我们对SAR11细菌基因组精简结构特征的认识; (2)HTCC1062蛋白质组中87％的蛋白质为保守蛋白质，在不同环境条件下均有表达，表明SAR11细菌蛋白质具有高保守性;SAR11细菌通过表达高稳定蛋白质维持生存和正常代谢，表达低稳定蛋白质应对不利的环境压力;在不利环境条件下，SAR11细菌优先表达用于维持生长和基础氧化还原代谢的蛋白质，同时减少表达非必要物质交换、蛋白质合成以及能量供应等代谢途径;构建与生长条件高度相关的蛋白质聚类模型，发现6个蛋白质模块与环境因子相关性更强，这些模块中的蛋白质可能通过共表达响应环境变化，而条件特异性共表达模块则弥补了特定环境下特有调控系统和蛋白质研究的不足，筛选到99个蛋白质可作为响应环境胁迫的潜在蛋白质生物标志物; (3)六种环境条件下HTCC1062的磷酸化蛋白质占比高达42％。在碳代谢、氨基酸代谢和核酸代谢等必需代谢途径中检测到大量蛋白质发生磷酸化修饰，表明磷酸化在SAR11细菌的生存中起着重要作用;不同环境条件下差异磷酸化蛋白质主要富集在碳代谢和氨基酸代谢中，除细菌中普遍存在的磷酸化调控碳代谢途径外，发现SAR11细菌拥有特有的磷酸化调控氨基酸代谢途径，提示SAR11细菌通过更多的磷酸化策略应对环境变化;通过磷酸化位点的共表达模式，结合磷酸化蛋白质的功能相互作用分析，筛选了 67个磷酸化位点作为快速响应环境变化的潜在应激生物标志物。 总之，本文针对海洋中广泛分布且具有重要生态学和生物地球化学意义的难培养细菌SAR11,通过整合蛋白质组学技术、蛋白质基因组学技术和磷酸化蛋白质组学技术等，构建了国际上首个海洋基因组精简结构细菌的蛋白质组全谱，完善了 SAR11细菌基因组注释，修正了基因编码区域，发现了新的基因，揭示了 SAR11细菌应对环境变化的策略和机制，为海洋难培养细菌蛋白质组研究提供了范例和借鉴。
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