中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授課題組與中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所張余研究員課題組合作，利用冷凍電鏡（cryo-EM）單顆粒重構(gòu)技術(shù)，解析了魚腥藍(lán)細(xì)菌Anabaenasp. PCC 7120 轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，闡明了雙轉(zhuǎn)錄因子以DNA looping的方式協(xié)同調(diào)控硝酸鹽同化通路轉(zhuǎn)錄激活的分子機(jī)制，完善了細(xì)菌轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該研究成果以“DNA looping mediates cooperative transcription activation”為題于2024年1月4日在線發(fā)表在《Nature Structural & Molecular Biology》上。
基因轉(zhuǎn)錄是中心法則的核心環(huán)節(jié)，是遺傳信息精準(zhǔn)傳遞的基本條件，也是維持有序生命活動(dòng)的關(guān)鍵。基因轉(zhuǎn)錄的精細(xì)調(diào)控對(duì)于生物適應(yīng)不同環(huán)境是必需的，也是細(xì)菌應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力的重要手段。藍(lán)藻（亦稱藍(lán)細(xì)菌）可以在環(huán)境氨鹽不足的情況下，通過硝酸鹽同化通路（nitrate assimilation pathway）將硝酸鹽從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到胞內(nèi)并還原成可直接利用的氨鹽，以應(yīng)對(duì)該極端環(huán)境。硝酸鹽同化通路的轉(zhuǎn)錄激活需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子NtcA和NtcB協(xié)同調(diào)控。
NtcA是藍(lán)藻的一種全局性調(diào)控因子，屬于CRP/FNR家族轉(zhuǎn)錄因子，可以響應(yīng)氮缺乏信號(hào)2-oxoglutarate(2-OG)的積累而調(diào)控氮代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。NtcB屬于LysR家族轉(zhuǎn)錄因子（LysR-type transcriptional regulator, LTTR），是原核生物中最大且分布最廣泛的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，能夠調(diào)控細(xì)菌內(nèi)多種代謝過程，包括細(xì)胞分裂、群體感應(yīng)、細(xì)胞毒性及運(yùn)動(dòng)性、氮固定、氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞黏連及蛋白分泌等。盡管單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的功能和機(jī)制已有大量研究，但多轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制尚不明確。
作者通過大量嘗試，成功表達(dá)和純化了魚腥藍(lán)藻RNA聚合酶全酶、NtcA和NtcB，并與優(yōu)化后的硝酸鹽同化通路啟動(dòng)子區(qū)域（轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-110至+15區(qū)）的雙鏈DNA成功組裝為轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物（TAC），進(jìn)而解析了分辨率分別為3.6 ?和4.5 ? 的轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物NtcA-TAC和NtcA-NtcB-TAC。基于結(jié)構(gòu)和生化分析，作者闡釋了 I 型和II 型轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同激活下游基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制。NtcA 首先結(jié)合啟動(dòng)子 DNA并與RNA 聚合酶直接相互作用，同時(shí)誘導(dǎo)DNA發(fā)生彎曲，使得上游NtcB的DNA結(jié)合位點(diǎn)更加靠近 RNA聚合酶。RNA聚合酶的αNTD結(jié)構(gòu)域通過識(shí)別 NtcB的效應(yīng)分子結(jié)合結(jié)構(gòu)域EBD進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物。NtcA和NtcB的依次結(jié)合導(dǎo)致上游啟動(dòng)子DNA發(fā)生大幅度彎曲，使之環(huán)折（即 DNAlooping），最終形成完全激活的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。該研究加深了我們對(duì)多轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控轉(zhuǎn)錄的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)藍(lán)藻碳氮代謝平衡調(diào)控的理解。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)周叢照教授、江永亮副教授和中國科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所張余研究員為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)韓書婧博士（現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后）為該論文的第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電鏡中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助，江永亮副教授感謝中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持（會(huì)員號(hào)：2020452）。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41594-023-01149-7
（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）
