微生物需要在基因轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，這對(duì)于它們?cè)谀芰坷?、毒力調(diào)控、進(jìn)化方向乃至于工業(yè)應(yīng)用上都至關(guān)重要。葡萄糖是大腸桿菌的首選碳源。早期開(kāi)展的諸多關(guān)于大腸桿菌在缺乏葡萄糖生長(zhǎng)環(huán)境中的研究表明，細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子cAMP的水平升高能夠激活cAMP受體蛋白（cAMP receptor protein，CRP）與靶標(biāo)DNA的結(jié)合，不僅能調(diào)節(jié)超過(guò)7%的全局基因轉(zhuǎn)錄水平，還能使細(xì)菌轉(zhuǎn)而利用其他非葡萄糖的碳源作為能量來(lái)源，這一現(xiàn)象也被稱為分解代謝物阻遏。之后的研究進(jìn)一步證實(shí)了cAMP受體蛋白與微生物的環(huán)境適應(yīng)性密切相關(guān)，涉及群體感應(yīng)、胞內(nèi)金屬離子的獲取、細(xì)菌致病性及運(yùn)動(dòng)性等。作為第一個(gè)被解析結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，大腸桿菌CRP也作為蛋白質(zhì)別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）的經(jīng)典例子出現(xiàn)在教科書(shū)中。
2024年6月25日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙燁教授團(tuán)隊(duì)在美國(guó)微生物學(xué)會(huì)（ASM）旗下的mBio雜志發(fā)表了題為“cAMP-independent DNA binding of the CRP family protein DdrI from Deinococcus radiodurans”的研究成果。該項(xiàng)工作以極端微生物耐輻射球菌中的一種假定CRP（DdrI）為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該蛋白的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能的研究，并結(jié)合酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法揭示了其與經(jīng)典的CRP（如大腸桿菌的CRP）存在不同的調(diào)控機(jī)制：DdrI在沒(méi)有cAMP參與的情況下即能夠與目標(biāo)序列結(jié)合，并形成穩(wěn)定的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物。該蛋白的第二個(gè)cAMP結(jié)合位點(diǎn)（syn-cAMP）的負(fù)電性能夠被錳離子所中和，為其與目標(biāo)序列結(jié)合提供了一定的自由度。此外，該項(xiàng)研究也在一定程度上為II類轉(zhuǎn)錄激活的“預(yù)招募機(jī)制”提供了新的線索，即轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶的結(jié)合可能較其與DNA結(jié)合具有更高的優(yōu)先級(jí)。
左圖：DdrI蛋白的整體二聚化結(jié)構(gòu)與重要的元件。右圖：DdrI結(jié)合DNA的酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
總的來(lái)說(shuō)，微生物進(jìn)化產(chǎn)生了多種轉(zhuǎn)錄因子以適應(yīng)環(huán)境變化，參與調(diào)控全局基因的表達(dá)。另一方面，不同微生物中同一家族的轉(zhuǎn)錄因子也會(huì)根據(jù)其生存特性進(jìn)化出幫助它們適應(yīng)特定環(huán)境的能力。本研究的DdrI蛋白就是一個(gè)例子，它在蛋白結(jié)構(gòu)和變構(gòu)調(diào)控機(jī)制上展現(xiàn)出與經(jīng)典的CRP家族蛋白明顯不同的特點(diǎn)。鑒于這些CRP家族蛋白可能起源自一個(gè)簡(jiǎn)單的DNA結(jié)合蛋白，闡明該蛋白的cAMP非依賴性調(diào)控機(jī)制及其與其他轉(zhuǎn)錄因子之間存在的協(xié)同工作機(jī)制，將更好地幫助我們理解微生物的環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制。
浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生王煜東為第一作者，博士生高旭帆參與了計(jì)算生物學(xué)的研究，趙燁教授為該論文通訊作者。生科院華躍進(jìn)教授、周如鴻教授、張冬研究員等合作者對(duì)該研究提供了重要指導(dǎo)和幫助。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金的支持，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院共享技術(shù)服務(wù)平臺(tái)和上海同步輻射光源（SSRF）對(duì)該研究提供了技術(shù)支持。
原文鏈接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/mbio.01144-24
