細菌的 因子是基因轉(zhuǎn)錄過程中負(fù)責(zé)啟動子識別的關(guān)鍵因子，大部分 因子屬于 70家族，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)和啟動子識別特征被分為四個組。負(fù)責(zé)調(diào)控纖維小體表達的SigI-RsgI因子與其它 -anti- 因子的同源度較低，無法直接歸屬到已知的分組之中，具有獨特的結(jié)構(gòu)功能機制。青島能源所代謝物組學(xué)研究組系統(tǒng)研究了纖維素降解熱纖梭菌和它產(chǎn)生的纖維小體的高效作用機制，并基于熱纖梭菌和纖維小體開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化工藝。熱纖梭菌中多對具有高度序列同源性的SigI-RsgI介導(dǎo)了胞外底物偶聯(lián)纖維小體組分的調(diào)控，是熱纖梭菌纖維小體具有高底物降解活性的關(guān)鍵因素之一。RsgI在沒有胞外底物的情況緊密結(jié)合SigI因子并抑制其轉(zhuǎn)錄活性，而在感應(yīng)到特定種類的胞外底物時將信號傳導(dǎo)到胞內(nèi)，并釋放相應(yīng)的SigI因子招募RNA聚合酶，特異性啟動一組特定纖維小體基因的轉(zhuǎn)錄。研究組前期闡明了熱纖梭菌中RsgI特異性抑制SigI因子轉(zhuǎn)錄活性的結(jié)構(gòu)分子機制（2019 Nucleic Acids Research, https://doi.org/10.1093/nar/gkz355），揭示了RsgI的跨膜信號傳導(dǎo)機制（2023 Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.adg4846）。為了進一步理解SigI特異性識別啟動子從而啟動特定纖維小體基因轉(zhuǎn)錄的機制，研究人員重構(gòu)了包含SigI的轉(zhuǎn)錄開放復(fù)合體（RPo），并利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了兩種不同SigI因子的RPo的近原子分辨率結(jié)構(gòu)（圖1）。
圖1. 通過結(jié)構(gòu)解析揭示SigI因子識別啟動子的機制。（A）SigI-RsgI通過感應(yīng)底物調(diào)控纖維小體轉(zhuǎn)錄的機制。（B）包含SigI6的轉(zhuǎn)錄開放復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（C）SigI6對啟動子-35和-10區(qū)的識別方式。
通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，不同于已知的 70家族成員僅結(jié)合啟動子-35區(qū)域的大溝，SigI能夠同時結(jié)合于啟動子-35區(qū)的大溝和小溝中，小溝區(qū)域?qū)?yīng)于SigI識別的啟動子所具有的特征性A-tract區(qū)域，大溝區(qū)域?qū)?yīng)于決定啟動子特異性的關(guān)鍵區(qū)域。同時，相比于其他已知 70家族成員的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）結(jié)構(gòu)結(jié)合-35區(qū)域大溝的方式，SigI識別啟動子大溝使用的HTH結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)了180度。在啟動子-10區(qū)域，與其他已知的 70家族成員相比，SigI因子具有更多的外翻堿基和更多蛋白質(zhì)-核酸相互作用。因此，SigI在啟動子識別方式上與其他已知的 70完全不同，代表了一類獨特的 因子類型（圖2）。通過對比兩個不同SigI形成的RPo復(fù)合體的結(jié)構(gòu)差異，揭示了不同SigI因子的啟動子識別特異性機制，并進一步通過枯草芽孢桿菌異源報告系統(tǒng)和體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)進行了驗證。該研究對細菌轉(zhuǎn)錄的基礎(chǔ)分子生物學(xué)提供了新的洞察，為熱纖梭菌及其纖維小體的改造與應(yīng)用、基于 -anti- 因子的合成生物學(xué)開發(fā)提供了新的基礎(chǔ)。
圖2 SigI因子具有和已知的4組 70家族 因子不同的結(jié)構(gòu)域組成和啟動子識別方式。
該研究由青島能源所馮銀剛研究員與生物物理所朱平研究員聯(lián)合指導(dǎo)完成，馮銀剛研究員和朱平研究員為該論文的共同通訊作者，青島能源所代謝物組學(xué)研究組博士生李頡、生物物理研究所博士生張浩楠為該論文的共同第一作者。該項研究得到組內(nèi)崔球研究員和劉亞君研究員、以色列維茲曼科學(xué)研究所Edward A. Bayer教授的大力協(xié)助。中國科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所張余研究員課題組、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張大偉研究員課題組為該研究提供了重要的幫助。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、山東能源研究院、青島市和中國科學(xué)院的資助。
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41796-4
Jie Li#, Haonan Zhang#, Dongyu Li, Ya-Jun Liu, Edward A. Bayer, Qiu Cui, Yingang Feng*, Ping Zhu* (2023) Structure of the transcription open complex of distinct I factors. Nature Communications 14:6455.
