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铁硫（Fe-S）簇作为古老通用的无机辅因子,自从20世纪60年代被发现以来引起了科学界极大的关注。生物体内最常见的Fe-S簇的形式包括[2Fe-2S]、[4Fe-4S]和[3Fe-4S]。Fe-S簇可作为电子载体、酶的催化辅基和调控基因表达的传感器,参与光合、固氮、呼吸等一系列代谢活动。虽然Fe-S簇的组成和结构简单,但其生物合成却是高度复杂并被严密调控的过程。目前,细菌中鉴定了 3种Fe-S簇生物合成的主要途径:NIF系统,专门合成固氮酶需要的Fe-S簇;ISC系统,Fe-S簇合成的管家途径,存在于几乎所有的生物体内;SUF系统,细胞处于氧化胁迫或铁限制条件下的Fe-S簇合成途径。Fe-S簇生物合成途径从原核生物到真核生物的进化非常保守。与非光合生物相比,针对光合生物的Fe-S簇组装机制研究的并不清楚。蓝藻作为地球上最早的光合放氧生物,改变了地球的早期环境,同时也是藻类和高等植物的祖先。与EcolE依赖ISC系统不同,蓝藻中的Fe-S簇组装机制主要是SUF系统,其核心基因敲除致死。目前为止,蓝藻的Fe-S簇合成的研究非常有限。集胞藻PCC 6803是一种模式蓝藻,作为天然的感受态细胞,其遗传转化非常成熟,本文以集胞藻PCC 6803为材料,围绕SUF Fe-S簇生物合成途径开展以下工作:1.集胞藻PCC 6803 suf操纵子的转录调控研究。集胞藻PCC 6803的suf操纵子的转录模式与E.coli类似的是,sufBCDS共转录,不同的是,其转录调控依赖SufR。△sufR的生长与WT 一样,Chlorophyll a含量和Fv/Fm与WT相比,没有差异。sufR-OE藻株生长缓慢,Chl a含量和Fv/Fm较WT低。SufBCD蛋白含量在WT和△sufR讲中没有区别,在sufR-0E藻株中最低,证实SufR是suf操纵子的转录抑制因子。正常情况下敲除sufR对集胞藻PCC 6803的生长和光合没有影响。suf操纵子在MV和缺铁处理时上调表达表明SUF系统能够有效应对氧化胁迫和铁限制,可能是蓝藻选择SUF系统作为主要的Fe-S簇合成途径的原因。SUF系统在各种光合生物类型中的分布结果显示所有的光合生物都具有SUF系统。2.SUF系统在集胞藻PCC 6803自养和异养生长中的作用。SUF系统对集胞藻PCC 6803的光合和呼吸作用都非常重要,但细胞通常会优先满足呼吸作用所需要的Fe-S簇,必要时会选择降低光合作用。尝试对suf基因的敲除是不成功的,为此,引入Cu2+诱导表达的petE启动子平台,构建PpetE-sufB藻株,suf操纵子的表达由petE启动子控制。PpetE-sufB藻株在不含Cu2+的BG11培养基中会逐渐死亡,证明suf操纵子对集胞藻PCC 6803非常重要。当BG11培养基中的Cu2+含量为12nM时,PpetE-sufB藻株生长约为WT一半,且SufBCD蛋白含量减少,即为SUF Knockdown。自养条件下,与WT相比,SUF Knockdown生长慢、Chl a含量较低、PSI/PSII和Fv/Fm较小、光合放氧较少、呼吸耗氧较低。然而,异养条件下与WT相比,差异不大。P700+还原动力学数据显示,自养条件下,SUF Knockdown藻株的循环电子传递所占比例较WT高,异养条件下差异不明显。suf操纵子由自养转向异养条件时转录上调,但在SUF Knockdown藻株中上调程度受限。光合和呼吸电子传递链上的其它铁硫蛋白编码基因在两种条件下的转录显示,自养条件SUF Knockdown藻株的Hox相关基因转录上调,异养时转录下调。3.SUF系统对集胞藻PCC 6803铁吸收的影响。为研究SUF铁硫簇组装系统与细胞铁吸收之间的关系,利用转录组测序技术,分析SUF敲降后胞内基因的转录变化,同时借助突变株比较铁相关基因变化以及SUF系统蛋白含量变化。SUF敲降后的转录组测序分析表明:Fe-S簇合成减少,胞内的色素合成、光合作用、脂质代谢、氨基酸合成和碳代谢等途径均受到抑制,许多参与二元信号转导系统的转录因子下调,其调控的基因发生变化,整个细胞的生命代谢水平降低。SUF-OE生长较好,但光合参数与WT一致,表明SUF系统增加促进了细胞生长,但对光合作用没有影响。SUF-KD藻株的一系列铁相关基因下调表达,与转录组结果一致,SUF-OE藻株的外膜受体蛋白转录上调。胞内铁含量与SUF系统表达水平一致。铁吸收质膜转运蛋白的编码基因exbB-exbD双突变（Mutant）正常培养条件下的suf操纵子转录下调,并且SufBCD蛋白含量低。因此,SUF系统直接参与铁吸收调控,其表达量减少时,细胞对铁需求减少,反之,细胞增加对胞外铁的摄取。4.集胞藻PCC 6803 SUF系统组装机制探究。集胞藻PCC 6803的SUF系统蛋白之间的相互作用与E.coli相似,SufB、SufD均与SufC存在相互作用,形成复合体作为Fe-S簇组装支架蛋白;SufS和SufE形成复合体为Fe-S簇组装提供硫;SufE和SufB相互作用,目的是将硫传递给SufB。SufB和NfU一样,作为支架蛋白可以组装Fe-S簇并将其转移至脱辅基蛋白,均可为Fd、SdhB和PsaC提供Fe-S簇。此外,SufB与一些转录调控因子相互作用。SufD的酵母双杂交实验和体外pull-down实验表明,Fe-S簇生物合成的铁供体有可能只是与SUF蛋白存在弱相互作用。