浙江大学赵烨课题组在mBio发文揭秘微生物环境适应新机制

微生物需要在基因转录水平上对环境变化做出响应，这对于它们在能量利用、毒力调控、进化方向乃至于工业应用上都至关重要。葡萄糖是大肠杆菌的首选碳源。早期开展的诸多关于大肠杆菌在缺乏葡萄糖生长环境中的研究表明，细胞内信号分子cAMP的水平升高能够激活cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP）与靶标DNA的结合，不仅能调节超过7%的全局基因转录水平，还能使细菌转而利用其他非葡萄糖的碳源作为能量来源，这一现象也被称为分解代谢物阻遏。

之后的研究进一步证实了cAMP受体蛋白与微生物的环境适应性密切相关，涉及群体感应、胞内金属离子的获取、细菌致病性及运动性等。作为第一个被解析结构的转录因子，大肠杆菌CRP也作为蛋白质别构效应（allosteric effect）的经典例子出现在教科书中。

2024年6月25日，浙江大学生命科学学院赵烨教授团队在美国微生物学会（ASM）旗下的mBio杂志发表了题为“cAMP-independent DNA binding of the CRP family protein DdrI from Deinococcus radiodurans”的研究成果。

该项工作以极端微生物耐辐射球菌中的一种假定CRP（DdrI）为研究对象，通过对该蛋白的结构结构和功能的研究，并结合酶动力学实验和分子动力学模拟等方法揭示了其与经典的CRP（如大肠杆菌的CRP）存在不同的调控机制：DdrI在没有cAMP参与的情况下即能够与目标序列结合，并形成稳定的蛋白质-DNA复合物。该蛋白的第二个cAMP结合位点（syn-cAMP）的负电性能够被锰离子所中和，为其与目标序列结合提供了一定的自由度。此外，该项研究也在一定程度上为II类转录激活的“预招募机制”提供了新的线索，即转录因子与RNA聚合酶的结合可能较其与DNA结合具有更高的优先级。

左图：DdrI蛋白的整体二聚化结构与重要的元件。右图：DdrI结合DNA的酶动力学参数

总的来说，微生物进化产生了多种转录因子以适应环境变化，参与调控全局基因的表达。另一方面，不同微生物中同一家族的转录因子也会根据其生存特性进化出帮助它们适应特定环境的能力。本研究的DdrI蛋白就是一个例子，它在蛋白结构和变构调控机制上展现出与经典的CRP家族蛋白明显不同的特点。鉴于这些CRP家族蛋白可能起源自一个简单的DNA结合蛋白，阐明该蛋白的cAMP非依赖性调控机制及其与其他转录因子之间存在的协同工作机制，将更好地帮助我们理解微生物的环境适应性机制。

浙江大学生命科学学院博士生王煜东为第一作者，博士生高旭帆参与了计算生物学的研究，赵烨教授为该论文通讯作者。生科院华跃进教授、周如鸿教授、张冬研究员等合作者对该研究提供了重要指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、浙江大学上海高等研究院繁星科学基金的支持，浙江大学生命科学研究院共享技术服务平台和上海同步辐射光源（SSRF）对该研究提供了技术支持。

论文链接：

https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/mbio.01144-24

原文链接：

http://www.cls.zju.edu.cn/clscn/2024/0627/c79325a2940079/page.htm