2023年5月23日，南京中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)院﹒整合醫(yī)學(xué)學(xué)院，附屬鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院林煒教授課題組和浙江大學(xué)馮鈺教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心趙國屏院士團(tuán)隊(duì)以及中國科學(xué)院物理所王爽研究員團(tuán)隊(duì)在國際著名期刊美國科學(xué)院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United  States  of   America（中科院一區(qū)，IF：12.779）上發(fā)表了題為“Structural insights into the transcription activation mechanism of the global regulator GlnR from actinobacteria”的研究成果。該研究捕獲了結(jié)核分枝桿菌GlnR依賴型基因轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了全局性轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白GlnR選擇性調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制，為全面認(rèn)識結(jié)核分枝桿菌和整個放線菌的代謝調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。該工作是林煒教授團(tuán)隊(duì)繼Mol. Cell（2017, 2018）、Nat Commun（2019）、Nucleic Acids Res（2020, 2021, 2022a, 2022b）之后在病原菌基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究和新型抗耐藥菌藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域取得的又一項(xiàng)全新研究成果。

基因組遺傳信息得以表達(dá)，首先需要RNA聚合酶（RNAP）以DNA為模板合成RNA。對RNAP運(yùn)行機(jī)理和調(diào)控機(jī)制的研究能夠回答基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。在轉(zhuǎn)錄起始階段，細(xì)菌的RNAP與轉(zhuǎn)錄起始s 因子形成復(fù)合物，依次執(zhí)行啟動子雙鏈DNA識別、解鏈等關(guān)鍵步驟，多種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，選擇性調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

結(jié)核分枝桿菌是兼性胞內(nèi)寄生菌，其在宿主體內(nèi)的存活能力是造成持續(xù)性感染的主要原因之一。針對宿主內(nèi)的多種不利因素，結(jié)核菌會通過自身代謝重塑來適應(yīng)和抵抗宿主體內(nèi)的惡劣環(huán)境。氮代謝是生命活動過程中最基本的代謝活動。在各種生命體系中，氮代謝途徑都受到了嚴(yán)格而靈活的調(diào)控。對大腸桿菌的氮代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已研究的很全面，其轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要由一對經(jīng)典的雙組份系統(tǒng)NtrB/NtrC負(fù)責(zé)；而結(jié)核分枝桿菌不同，其氮代謝是由孤兒應(yīng)答調(diào)控蛋白GlnR負(fù)責(zé)，GlnR在氮源匱乏條件下全局性調(diào)控結(jié)核菌的氮代謝基因轉(zhuǎn)錄。全局性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子GlnR不僅能在氮源匱乏的情況下會選擇性激活大多數(shù)氮同化基因的表達(dá)，還能協(xié)同調(diào)控菌體的碳、磷、次級代謝基因表達(dá)，全面理解結(jié)核菌在宿主體內(nèi)等特殊生境下GlnR依賴型基因轉(zhuǎn)錄的選擇性調(diào)控機(jī)制能為破解結(jié)核菌潛伏感染提供新的思路。

文章解析了結(jié)核分枝桿菌OmpR/PhoB亞家族轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白GlnR，啟動子DNA，及RNAP的復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)揭示了GlnR蛋白如何與啟動子DNA以及RNAP協(xié)同激活下游靶標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)顯示4分子GlnR的C端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域分別依次頭尾相連排列結(jié)合在啟動子DNA上，而4分子GlnR的N端調(diào)控結(jié)構(gòu)域首先分別各自形成二聚體，之后二聚體與二聚體之間進(jìn)一步形成同源四聚體，由4分子GlnR的N端調(diào)控結(jié)構(gòu)域形成的同源四聚體在GlnR的C端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與RNAP之間扮演著“分子橋梁”的作用，拉近了啟動子DNA與RNA聚合酶核心酶之間的距離，穩(wěn)定了GlnR依賴型轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物，促進(jìn)了GlnR調(diào)控的下游靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。GlnR采取的這種由4分子轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白協(xié)同激活轉(zhuǎn)錄的機(jī)制與之前鑒定的由2分子轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白激活的Class I、Class II、Class III的轉(zhuǎn)錄激活機(jī)制完全不同（圖1）。因此，該研究為全面理解細(xì)菌雙組份系統(tǒng)（Two component system，TCS）雙組份系統(tǒng)OmpR/PhoB亞家族應(yīng)答調(diào)控蛋白調(diào)控轉(zhuǎn)錄的規(guī)律提供了基礎(chǔ)，也為抗耐藥結(jié)核分枝桿菌感染藥物的研發(fā)提供了新的思路和靶標(biāo)。

圖1. 結(jié)核分枝桿菌GlnR依賴型轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

A. GlnR激活的下游靶標(biāo)基因啟動子DNA scaffold; 

B. GlnR依賴型轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物結(jié)構(gòu)；

C. GlnR激活下游靶標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄的模型。

南京中醫(yī)藥大學(xué)為該論文的第一作者和通訊作者單位，林煒教授為該論文的第一通訊作者；史婧副教授為該論文的第一作者和共同通訊作者；碩士研究生馮貞貞為該論文的共同第一作者；本研究獲得了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（82072240、32270192、32270037）、青年項(xiàng)目（81903526、32000025）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20190798、BK20211302）；江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心重點(diǎn)項(xiàng)目（ZDXM-2020-10）；南京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)一流學(xué)科開放課題項(xiàng)目（2020YLXK008、2020YLXK016）、江蘇省基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科及教育部霍英東青年教師基金等項(xiàng)目資助。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300282120