研究揭示出一類新的細菌轉錄調控因子的結構功能機制

轉錄是RNA聚合酶根據基因的DNA序列合成信使RNA的過程，是基因表達的起始步驟。在細菌中，σ因子是RNA聚合酶識別基因啟動子並起始轉錄的關鍵組分。近年來，在一些梭菌和桿菌中發現一類廣泛存在的σ因子及其共轉錄的抗σ因子——SigI和RsgI，它們的一些結構域和已知蛋白沒有同源性，代表了一類新的特殊的細菌σ/抗σ因子。熱纖梭菌等一些產纖維小體細菌具有8-16對的SigI/RsgI因子，這在其他已知類型的σ/抗σ因子中比較少見。已有的研究表明這些SigI/RsgI因子負責纖維小體的調控表達，但其結構與功能機制仍未闡明。最近，中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組研究員馮銀剛帶領科研人員在熱纖梭菌的纖維小體調控因子SigI/RsgI的結構功能機制研究中取得新進展，相關成果發表在國際期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。

纖維小體是由一些厭氧的梭菌分泌的多酶複合體，是高效的木質纖維素降解分子機器，在木質纖維素資源的降解利用和生物技術開發中有重要的應用價值。纖維小體的酶組分受到胞外底物種類的調控，關於纖維小體調控機制的研究對理解纖維小體的高效作用機制和纖維小體的應用開發都具有重要價值。代謝物組學研究組多年來致力於梭菌及其纖維小體的研究和應用開發，利用研究組自主研發的遺傳操作硬體設備和軟體工具，對熱纖梭菌的生理生化、纖維小體的組裝、合成調控與產物抑制、產物攝取與代謝等進行了系統的研究。為揭示SigI/RsgI在纖維小體調控中的作用機制，研究人員首先通過核磁共振實驗闡明了RsgI與SigI的結合方式，並進一步解析了該複合體的三維結構。結果表明RsgI主要通過胞內結構域與SigI的C端結構域結合形成穩定的複合體，其中RsgI的胞內結構域是由β片構成的桶狀結構，SigI的C端則由8個α螺旋形成緊密的結構，兩者之間通過多種作用力形成穩定的複合體。這種複合物結構和已知的其他σ/抗σ因子複合物結構完全不同，代表了一類獨特的σ/抗σ因子複合物結構類型。研究人員進一步通過結構和突變分析揭示了SigI上識別啟動子-35區DNA的關鍵區域，並發現SigI/RsgI因子之間的識別特異性是通過兩個蛋白質上的多對殘基之間的協同作用實現的。

這些研究結果揭示了這類新的σ/抗σ因子的結構功能機制，使人們對於細菌的轉錄過程和對胞外環境感應的分子機制有了更多的了解，同時也有助於增進人們對纖維小體調控機制的理解，可以為產纖維小體細菌的改造和應用提供基礎。此外，σ/抗σ因子是合成生物學研究中的重要調控元件，新的σ/抗σ因子可以為合成生物學元件開發提供更多的選擇性，而對其機制的理解將有助於改進這些元件的性能。

該研究得到國家自然科學基金委、中科院和山東省的資助。在國家自然科學基金委的中以國際合作交流項目的資助下，以色列威茲曼科學研究所和特拉維夫大學的多位研究人員參與了該研究的完成。該研究部分高場核磁共振數據的收集得到廈門大學高場核磁共振中心博士姚宏偉的大力協助。青島能源所博士生魏真為該研究論文的第一作者，研究員馮銀剛為論文的通訊作者，代謝物組學研究組多位學生和研究人員參與了該項目研究工作。

圖：新型σ/抗σ因子SigI/RsgI的複合物結構和已知的其他σ/抗σ因子的複合物結構完全不同。左圖為SigI/RsgI的結構，右圖為三種已知的其他σ/抗σ因子複合物的結構。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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