中國(guó)科大揭示調(diào)控藍(lán)藻碳氮代謝平衡的新機(jī)制
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和生命科學(xué)學(xué)院周叢照教授和陳宇星教授課題組與中國(guó)科學(xué)院武漢水生所張承才教授課題組合作，闡明了藍(lán)藻全局性轉(zhuǎn)錄因子NdhR通過(guò)結(jié)合不同的代謝小分子，快速響應(yīng)環(huán)境變化，協(xié)同調(diào)控碳氮代謝的分子機(jī)制。該研究成果以“Coordinating carbon and nitrogen metabolic signaling through the cyanobacterial global repressor NdhR”為題于2017年12月26日發(fā)表在美國(guó)科學(xué)院院刊《PNAS》上。
碳氮代謝是各種生物生存和生長(zhǎng)所必須的，而微生物通過(guò)精細(xì)調(diào)控碳氮代謝平衡來(lái)適應(yīng)不同的生長(zhǎng)環(huán)境。藍(lán)藻是地球上古老的自養(yǎng)光合生物，有些能夠分化出異形胞進(jìn)行固氮作用，因此是研究碳氮代謝的模式生物。正常情況下，光合作用的關(guān)鍵酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶RubisCO能夠利用CO2生成3-磷酸甘油酸，并進(jìn)入三羧酸循環(huán)生成alpha-酮戊二酸（2-OG），而2-OG可以作為碳骨架與氮源進(jìn)一步合成氨基酸等重要分子。在CO2缺乏時(shí)，RubisCO則利用O2生成2-磷酸乙醇酸（2-PG）。因此2-OG和2-PG在藍(lán)藻中的濃度是負(fù)相關(guān)的，二者可以作為碳氮平衡的指示劑。
我們利用X-射線晶體學(xué)手段解析了藍(lán)藻碳代謝全局性轉(zhuǎn)錄抑制子NdhR的三維結(jié)構(gòu)，這是目前解析的第一個(gè)LysR家族轉(zhuǎn)錄抑制子全長(zhǎng)蛋白的結(jié)構(gòu)。通過(guò)大量的生化篩選，發(fā)現(xiàn)2-OG和2-PG分別是NdhR的協(xié)同抑制子和誘導(dǎo)子。結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)和微生物遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻中氮濃度偏低時(shí)，2-OG濃度升高，NdhR與2-OG結(jié)合后與DNA啟動(dòng)子區(qū)域的親和力增強(qiáng)，從而抑制碳轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，以維持藍(lán)藻內(nèi)的碳氮平衡。當(dāng)藍(lán)藻內(nèi)碳濃度偏低時(shí)，2-PG濃度升高，NdhR結(jié)合2-PG后構(gòu)象發(fā)生變化，從啟動(dòng)子區(qū)域釋放下來(lái)，其抑制子活性被解除，碳轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因大量表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳氮平衡。該工作不僅闡明了LysR家族轉(zhuǎn)錄抑制子的一種全新調(diào)控機(jī)制，還揭示了藍(lán)藻利用單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)代謝產(chǎn)物的響應(yīng)來(lái)維持體內(nèi)碳氮代謝平衡的分子機(jī)理，加深了我們對(duì)微生物代謝平衡的理解。
中國(guó)科大周叢照教授和陳宇星教授與中國(guó)科學(xué)院武漢水生所張承才教授為該論文的共同通訊作者。中國(guó)科大特任副研究員江永亮、已畢業(yè)的汪雪平博士和在讀的博士生孫會(huì)為該論文的共同第一作者。分子動(dòng)力學(xué)模擬部分的工作得到了中國(guó)科大生命科學(xué)學(xué)院張志勇教授的幫助，晶體數(shù)據(jù)收集在上海光源完成。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目和科技部項(xiàng)目的資助。
全文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2017/12/20/1716062115.full
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