藻類細(xì)胞和合成生物學(xué)
學(xué)科帶頭人：黃開耀?研究員
學(xué)科組成員：龍歡博士；鄧璇碩士；博士生： 繆榮麗；碩士生：曾輝、王坤、徐澤東、張俊、孫慧芳?
學(xué)科組介紹
現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展使人們對真核細(xì)胞細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能有了進一步的認(rèn)識，但是對于由成百上千的蛋白和脂類組成的細(xì)胞器的形成和解聚，特別是與其生理功能的關(guān)系所知甚少，本實驗室以纖毛和油滴這兩類細(xì)胞器作為模型來研究細(xì)胞器形成和解聚的細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)機理，以利于纖毛病的診斷和治療以及利用油滴來制造生物能源。
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纖毛 /鞭毛是突出在真核細(xì)胞表面由微管組成的細(xì)胞器，執(zhí)行著重要的運動和感受功能 (圖一 )。其病變能導(dǎo)致多囊腎、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷、眼盲、耳聾、肥胖病、雄性不育等多種纖毛病。由于纖毛是一類在進化上很保守的細(xì)胞器，因而研究纖毛的模式生物包括單細(xì)胞衣藻、線蟲、斑馬魚和小鼠等，其中衣藻鞭毛的形成和解聚不僅與細(xì)胞周期相關(guān)，而且還可通過外界環(huán)境誘導(dǎo)；加上衣藻易于培養(yǎng)，能分離到大量的鞭毛用于生化分析；能像酵母一樣進行遺傳分析和突變體的篩選；又利于直接用顯微鏡觀察鞭毛內(nèi)蛋白的運動，因此，衣藻是研究纖毛的首選模式生物，本課題組將利用衣藻，結(jié)合斑馬魚和動物細(xì)胞系來研究以下幾個方面的內(nèi)容：
1. 鞭毛膜的形成和降解
鞭毛膜的形成和穩(wěn)定是鞭毛執(zhí)行其運動和感受功能的前提。我們的研究目標(biāo)就是解析鞭毛膜蛋白從高爾基到鞭毛, 然后由鞭毛分泌到細(xì)胞外的分子機理，將研究起源于高爾基的小囊泡定向運輸?shù)奖廾?纖毛底部；鞭毛和細(xì)胞體之間的擴散屏障；鞭毛膜蛋白的分布及運動；小囊泡從鞭毛分泌到細(xì)胞外和小囊泡分泌的生物學(xué)功能。
2. 鞭毛或纖毛的解聚
鞭毛/纖毛的形成和解聚是相互聯(lián)系的。我們以前的工作表明泛素結(jié)合系統(tǒng)與鞭毛/纖毛的解聚有關(guān)，在闡明泛素結(jié)合系統(tǒng)在鞭毛去組裝中的作用機理的基礎(chǔ)上，我們將通過篩選和分析鞭毛解聚的突變體，尋找新的控制鞭毛解聚的蛋白。同時研究運動纖毛和初級纖毛解聚的異同點，初步解析初級纖毛的形成、解聚與細(xì)胞周期的關(guān)系。
3. 纖毛病的診斷及藥物的篩選
與人類纖毛形成與解聚有關(guān)的基因突變后可導(dǎo)致纖毛病，我們將這些基因作為靶點，通過高通量測序分析其突變來診斷纖毛病。我們將利用衣藻的鞭毛、斑馬魚的突變體以及動物細(xì)胞系篩選天然和人工合成的小分子庫，以尋找治療纖毛病的藥物。
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油滴廣泛分布在植物的種子和動物的脂肪細(xì)胞中。它是由單層磷脂組成，內(nèi)含中性三酰甘油。在動物細(xì)胞中其形成和解聚與肥胖癥有關(guān)。植物油滴中的中性脂是食用油和制備生物柴油的原料。我們的長期目標(biāo)是利用幾種不同的綠藻的優(yōu)勢來研究油滴的生物合成和生物降解, 并利用這些知識來改造現(xiàn)有的綠藻生產(chǎn)生物柴油。與目前用來生產(chǎn)生物柴油的大豆等相比，綠藻在生長過程中需水量少、不占用耕地、能直接固定空氣中的二氧化碳。我們的研究內(nèi)容包括：
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1. ? 利用衣藻來研究油滴形成和解聚的分子機理和代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
作為研究鞭毛和光合作用的模式生物，衣藻的轉(zhuǎn)化，遺傳分析等技術(shù)最成熟，而且衣藻細(xì)胞在缺氮的條件下能形成油滴，在添加氮源后油滴解聚。我們將利用質(zhì)粒插入誘變的方法來篩選油滴形成和解聚的突變體，找出在這個過程中起調(diào)控作用的基因。同時利用Micro RNA 技術(shù)來阻斷糖代謝和極性脂的合成途徑，以到達促進中性脂積累的目的。
2. ? 利用小球藻來研究微藻細(xì)胞周期的調(diào)控
目前微藻能源的一個瓶頸是細(xì)胞生長太慢，達不到產(chǎn)業(yè)化所需的生物量，而目前所知小球藻生長周期最短，我們將為小球藻建立遺傳轉(zhuǎn)化體系，研究其細(xì)胞周期調(diào)控的機理，為利用遺傳工程的方法提高微藻的生長速度打下基礎(chǔ)。
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3. ? 利用葡萄藻來研究微藻分泌油滴的分子機理
有些綠藻像葡萄藻，其含油量高達細(xì)胞干重的百分之七十，而且在特定的條件下能將油滴分泌到細(xì)胞外（圖二）。如果能收集分泌在培養(yǎng)基中的油滴，就可以大大簡化微藻能源下游工程。但葡萄藻生長速度慢，我們的設(shè)想是利用葡萄藻研究其油滴分泌的分子機理，然后利用合成生物學(xué)的方法將它嫁接到生長快的小球藻中，以降低微藻能源產(chǎn)業(yè)化的成本。
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近期發(fā)表論文
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1. ??Huang K.,?Tsao C., 2010, Importin-β2: a key to two gates? 2010, Protein&Cell 1(9):791-792.?(Huang K?is corresponding author)
2. ??Huang K., Diener D., Rosenbaum J.,?2009, The ubiquitin conjugation system is involved in the disassembly of cilia/flagella. Journal of Cell Biology, 186:601-613.
3. ??Huang K., Diener D., Mitchell A., Pazour G., Witman G., Rosenbaum J.,?2007, Function and dynamics of PKD2 in?Chlamydomonas?flagella. Journal of Cell Biology, 179:501-514.
4. ? Soon Im C., Eberhard S.,?Huang? K.,?Beck C., Grossman A., 2006. Phototropin involvement in expression of genes encoding chlorophyll and carotenoid biosynthesis enzymes and LHC apoproteins in?Chlamydomonas reinhardtii.?Plant Journal?48(1):1-16.
5. ??Huang K., Kunkel T., Beck. C. F., 2004. Localization of blue-light receptor phototropin to the flagella of the green alga?Chlamydomonas reinhardtii. Mol. Biol. Cell. 15(8):3605-3614.
6. ??Huang K., Beck C.F., 2003. Phototropin is the blue-light receptor that controls multiple steps in the sexual life cycle of the green alga?Chlamydomonas reinhardtii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100:6269-6274.
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