嗜鹽古生菌的光趨性

I-5.1 SRs 於嗜鹽古生菌中的分佈

感覺型視紫質顯然並非嗜鹽古生菌必要的蛋白質，並且在不同的嗜鹽古生菌 中，分布的數量也不同 (表 1，圖 6b); 然而，它可以將菌體帶至適合 BRs 作用 並且輻射傷害較少的光照環境。藉由這些具有不同數量 SRs 的嗜鹽古生菌 (包 含了在基因體鑑定上沒有發現視紫質的菌株Hfx)，我們可以更廣泛地去探討，

HmSRM-HtrM 在調控光趨性的機制中，扮演的角色。

I-5.2 嗜鹽古生菌的光趨性

微生物感光的目的，通常為避開有害藍光或找到利用光源的最佳生態地理位 置。對於嗜鹽古生菌來說，生理上，他們必須在面對有害的藍光及利於 BRs 作 用，進而產生ATPs 的黃綠光，之間取得一個平衡。如前所述，目前主要以蛋白 質序列、感受的光源波段及其調控的生理功能，將感覺型視紫質分為三類：SRIs 可以感受橘至紅光波段光源，其M state 傳遞了趨光反應的訊息 ^[42]。 然而，如 果在 SRI 進入 M state (S373) 時，再給予另一個藍光光子，可以使其進入 M ’ state 則會傳遞避光反應的訊號 ^[82]。 SRMs 可以感受綠光 (𝜆𝑚𝑎𝑥 = 503 nm) ， 在生理上的泳動分析，推測它的作用是增加趨光反應的效應 (圖 7; unpublished data from Lin Y.C.)。SRIIs 感受藍光光源，並且傳遞避光的訊號 ^[43]，目前主要的 研究都在於，僅具有 SRII 的嗜鹽古生菌 Natromonas pharaonis 的 NpSRII 上。

目前僅有 Haloarcula 屬被發現，同時擁有這三種 SRs; 而 SRs 在嗜鹽古生菌中 也不是並非每個都是必要的 (表 1)。

先前於感覺型視紫質如何調控光趨性的機制，主要在於 NpSRII 的機制研究。

目前認為 SRI 及 SRII 共用了 Che (chemotaxis) proteins， (細菌調控化學趨性 的two-component system) 調控了嗜鹽古生菌的光趨性。SRs 受光激發後，藉由 推出的 F helix ，使傳導元的 TM2 位移。傳導元的整體結構有如蹺蹺板，有許 多元件間的節點，在活化及非活化的狀態下，各區域會在動態及靜態之間轉換

[81]。以此機制去調節CheA (藉由 CheW 的輔助而結合在傳導元尾端) 的活性，進 而磷酸化CheB 及 CheY 而使其活化， CheB-P 能將傳導元的 MCPs 去甲基化，

CheZ 則負責將 CheY-P 去磷酸化。 CheY-P 能夠調控菌體的鞭毛，使其產生 tumble 的反應而轉向，在整個系統重置後，菌體改為前進模式，最後產生避光的 折返現象 ^[81]。

圖 7、菌體泳動分析。a Haloarcula marismortui b Halobacterium salinarum，在 不同波長的光源脈衝(0.5 sec) 刺激後，菌體折返的機率 (偏移原路徑 > 90˚)。折 返率越高，代表越高的避光反應。 X 軸為使用光源之波長，單位： nm。

a b

(Lin YC, 2010) (Lin YC, 2010)

I-5.3 SRs 調控光趨性之機制

避光反應 (菌體折返) 的過程牽涉了許多的蛋白質，按順序為：Sensory rhodopsin (SR) 、 Transducer (Htr) 、 CheA/CheW 、 CheR 、 CheB 、 CheY 、 CheZ 及鞭毛。NpSRII/HtrII complex 本身就是一個感受光刺激的 two component system 。 CheR 是 一 個 持 續 活 化 的 酵 素 ， 持 續 地 將 傳 導 元 甲 基 化 ， 維 持 NpSRII/HtrII complex 在高光敏度，也是在一個週期的光刺激後，將感光系統重 置 (reset) 的酵素 ^[45]。訊息傳導的完整流程如下 ： (1) NpSRII 受藍光激發，

retinal 構型由 all-trans 變為 13-cis，帶動 F(G)-helix 向外推出。 (2) 推出的 F-helix，造成傳導元 TM2 旋轉，改變該區域的能動性。 (3) 藉由交替的能動性改 變，傳導元尖端活化與其結合的 CheA/CheW 雙聯複合體。 (CheA 為 kinase;

CheW 為幫助 CheA 結合在傳導元尖端的蛋白質) (4) 被活化的 CheA，會將 CheB 及 CheY 磷酸化而使其活化。 (5) CheB-P 會將傳導元的甲基化區域去甲 基化，傳導元失去活性 (負回饋抑制) (6) Che-Y 則跑去活化鞭毛，使其產 生 ”tumble” (順時針轉動) 的生理反應，藉此將菌體轉向。 (7) CheZ 會將 CheY-P 去磷酸化，將其重置。 (8) 當整個訊息傳遞完 ”tumble” 的訊息並且重置 後，細胞轉為 ”Run” (逆時針轉動) 的模式，產生了一個折返的生理反應 (圖 8)

[81]。

圖 8、NpSRII 傳遞避光反應的訊息路徑。NpSRII 及 CheA/CheW 都是以雙聯 複合體的形式存在，CheR 是一直具有活性的甲基化酵素，CheR 及 CheY 則是被 CheA kinase 磷酸化後，才活化的去甲基化酵素及鞭毛調控因子。另外，有個未 標示出的 CheZ 酵素，會將磷酸化的 CheY 去磷酸化，以重置訊息的傳遞。