纖維小體是一類可以高效降解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的多酶復(fù)合體，在生物質(zhì)能源與合成生物學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用價值。產(chǎn)纖維小體細(xì)菌根據(jù)底物種類調(diào)控纖維小體組分的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對特定底物類型的高效降解。在典型的產(chǎn)纖維小體細(xì)菌熱纖梭菌中，一類特殊的σ和anti-σ因子SigI-RsgI負(fù)責(zé)感應(yīng)底物并調(diào)控纖維小體基因的轉(zhuǎn)錄。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所與生物物理研究所合作，運(yùn)用低溫電鏡技術(shù)解析了熱纖梭菌的兩個SigI因子和RNA聚合酶、啟動子形成的轉(zhuǎn)錄開放復(fù)合體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了SigI因子具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)域組織和啟動子識別模式，進(jìn)一步闡明了不同的SigI因子特異性識別啟動子從而調(diào)控纖維小體組分的分子機(jī)制。10月13日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

細(xì)菌的σ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σ因子屬于σ⁷⁰家族，根據(jù)其結(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(dá)的SigI-RsgI因子與其他σ-anti-σ因子的同源度較低，無法直接歸屬到已知的分組，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)功能機(jī)制。青島能源所代謝物組學(xué)研究組探討了纖維素降解熱纖梭菌及其產(chǎn)生的纖維小體的高效作用機(jī)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。熱纖梭菌中的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下，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。前期，該研究組闡明了熱纖梭菌中RsgI特異性抑制SigI因子轉(zhuǎn)錄活性的結(jié)構(gòu)分子機(jī)制，揭示了RsgI的跨膜信號傳導(dǎo)機(jī)制。為了進(jìn)一步解析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(jī)制，該研究重構(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）。

結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，不同于已知的σ⁷⁰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。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σ⁷⁰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σ⁷⁰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σ⁷⁰不同，代表了一類獨(dú)特的σ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，該研究揭示了不同SigI因子的啟動子識別特異性機(jī)制，并進(jìn)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(jìn)行了驗證。該研究對細(xì)菌轉(zhuǎn)錄的基礎(chǔ)分子生物學(xué)提供了新方向，為熱纖梭菌及其纖維小體的改造與應(yīng)用以及基于σ-anti-σ因子的合成生物學(xué)開發(fā)奠定了新基礎(chǔ)。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、山東能源研究院、青島市和中國科學(xué)院的支持。以色列魏茨曼科學(xué)研究所的科研人員參與研究。

論文鏈接

圖1.?通過結(jié)構(gòu)解析揭示SigI因子識別啟動子的機(jī)制。（A）SigI-RsgI通過感應(yīng)底物調(diào)控纖維小體轉(zhuǎn)錄的機(jī)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。

圖2.?SigI因子具有和已知的4組σ⁷⁰家族σ因子不同的結(jié)構(gòu)域組成和啟動子識別方式。

來源：中科院