研究揭示纖維小體轉錄調控因子的結構功能機制

　　纖維小體是一類可以高效降解木質纖維素生物質的多酶復合體，在生物質能源與合成生物學中具有廣泛的應用價值。產纖維小體細菌根據底物種類調控纖維小體組分的表達，從而實現對特定底物類型的高效降解。在典型的產纖維小體細菌熱纖梭菌中，一類特殊的σ和anti-σ因子SigI-RsgI負責感應底物并調控纖維小體基因的轉錄。中國科學院青島生物能源與過程研究所與生物物理研究所合作，運用低溫電鏡技術解析了熱纖梭菌的兩個SigI因子和RNA聚合酶、啟動子形成的轉錄開放復合體結構，發現了SigI因子具有獨特的結構域組織和啟動子識別模式，進一步闡明了不同的SigI因子特異性識別啟動子從而調控纖維小體組分的分子機制。10月13日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　細菌的σ因子是基因轉錄過程中負責啟動子識別的關鍵因子。大部分σ因子屬于σ70家族，根據其結構和啟動子識別特征被分為四個組。負責調控纖維小體表達的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，具有獨特的結構功能機制。青島能源所代謝物組學研究組探討了纖維素降解熱纖梭菌及其產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了具有自主知識產權的木質纖維素生物轉化工藝。熱纖梭菌中的多對具有高度序列同源性的SigI-RsgI介導了胞外底物偶聯纖維小體組分的調控，是熱纖梭菌纖維小體具有高底物降解活性的關鍵因素之一。RsgI在沒有胞外底物的情況下，緊密結合SigI因子并抑制其轉錄活性，而在感應到特定種類的胞外底物時將信號傳導到胞內，并釋放相應的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因子轉錄活性的結構分子機制，揭示了RsgI的跨膜信號傳導機制。為了進一步解析SigI特異性識別啟動子從而啟動特定纖維小體基因轉錄的機制，該研究重構了包含SigI的轉錄開放復合體（RPo），并利用冷凍電鏡單顆粒技術解析了兩種不同SigI因子的RPo的近原子分辨率結構（圖1）。

　　結構分析發現，不同于已知的σ70家族成員僅結合啟動子-35區域的大溝，SigI能夠同時結合于啟動子-35區的大溝和小溝。小溝區域對應于SigI識別的啟動子所具有的特征性A-tract區域，大溝區域對應于決定啟動子特異性的關鍵區域。同時，相比于其他已知σ70家族成員的螺旋-轉角-螺旋（HTH）結構結合-35區域大溝的方式，SigI識別啟動子大溝使用的HTH結構旋轉了180度。在啟動子-10區域，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-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，代表了一類獨特的σ因子類型（圖2）。通過對比兩個不同SigI形成的RPo復合體的結構差異，該研究揭示了不同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和體外轉錄系統進行了驗證。該研究對細菌轉錄的基礎分子生物學提供了新方向，為熱纖梭菌及其纖維小體的改造與應用以及基于σ-anti-σ因子的合成生物學開發奠定了新基礎。

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