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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

青島能源所揭示出一類新的細(xì)菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)構(gòu)功能機(jī)制

2019-05-21 青島生物能源與過程研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

纖維小體是由一些厭氧的梭菌分泌的多酶復(fù)合體，是高效的木質(zhì)纖維素降解分子機(jī)器，在木質(zhì)纖維素資源的降解利用和生物技術(shù)開發(fā)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。纖維小體的酶組分受到胞外底物種類的調(diào)控，關(guān)于纖維小體調(diào)控機(jī)制的研究對(duì)理解纖維小體的高效作用機(jī)制和纖維小體的應(yīng)用開發(fā)都具有重要價(jià)值。代謝物組學(xué)研究組多年來(lái)致力于梭菌及其纖維小體的研究和應(yīng)用開發(fā)，利用研究組自主研發(fā)的遺傳操作硬件設(shè)備和軟件工具，對(duì)熱纖梭菌的生理生化、纖維小體的組裝、合成調(diào)控與產(chǎn)物抑制、產(chǎn)物攝取與代謝等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為揭示SigI/RsgI在纖維小體調(diào)控中的作用機(jī)制，研究人員首先通過核磁共振實(shí)驗(yàn)闡明了RsgI與SigI的結(jié)合方式，并進(jìn)一步解析了該復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明RsgI主要通過胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與SigI的C端結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合體，其中RsgI的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域是由β片構(gòu)成的桶狀結(jié)構(gòu)，SigI的C端則由8個(gè)α螺旋形成緊密的結(jié)構(gòu)，兩者之間通過多種作用力形成穩(wěn)定的復(fù)合體。這種復(fù)合物結(jié)構(gòu)和已知的其他σ/抗σ因子復(fù)合物結(jié)構(gòu)完全不同，代表了一類獨(dú)特的σ/抗σ因子復(fù)合物結(jié)構(gòu)類型。研究人員進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)和突變分析揭示了SigI上識(shí)別啟動(dòng)子-35區(qū)DNA的關(guān)鍵區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)SigI/RsgI因子之間的識(shí)別特異性是通過兩個(gè)蛋白質(zhì)上的多對(duì)殘基之間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的。

　　這些研究結(jié)果揭示了這類新的σ/抗σ因子的結(jié)構(gòu)功能機(jī)制，使人們對(duì)于細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄過程和對(duì)胞外環(huán)境感應(yīng)的分子機(jī)制有了更多的了解，同時(shí)也有助于增進(jìn)人們對(duì)纖維小體調(diào)控機(jī)制的理解，可以為產(chǎn)纖維小體細(xì)菌的改造和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。此外，σ/抗σ因子是合成生物學(xué)研究中的重要調(diào)控元件，新的σ/抗σ因子可以為合成生物學(xué)元件開發(fā)提供更多的選擇性，而對(duì)其機(jī)制的理解將有助于改進(jìn)這些元件的性能。

　　該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和山東省的資助。在國(guó)家自然科學(xué)基金委的中以國(guó)際合作交流項(xiàng)目的資助下，以色列威茲曼科學(xué)研究所和特拉維夫大學(xué)的多位研究人員參與了該研究的完成。該研究部分高場(chǎng)核磁共振數(shù)據(jù)的收集得到廈門大學(xué)高場(chǎng)核磁共振中心博士姚宏偉的大力協(xié)助。青島能源所博士生魏真為該研究論文的第一作者，研究員馮銀剛為論文的通訊作者，代謝物組學(xué)研究組多位學(xué)生和研究人員參與了該項(xiàng)目研究工作。

　　論文鏈接

　　圖：新型σ/抗σ因子SigI/RsgI的復(fù)合物結(jié)構(gòu)和已知的其他σ/抗σ因子的復(fù)合物結(jié)構(gòu)完全不同。左圖為SigI/RsgI的結(jié)構(gòu)，右圖為三種已知的其他σ/抗σ因子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

　　轉(zhuǎn)錄是RNA聚合酶根據(jù)基因的DNA序列合成信使RNA的過程，是基因表達(dá)的起始步驟。在細(xì)菌中，σ因子是RNA聚合酶識(shí)別基因啟動(dòng)子并起始轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵組分。近年來(lái)，在一些梭菌和桿菌中發(fā)現(xiàn)一類廣泛存在的σ因子及其共轉(zhuǎn)錄的抗σ因子——SigI和RsgI，它們的一些結(jié)構(gòu)域和已知蛋白沒有同源性，代表了一類新的特殊的細(xì)菌σ/抗σ因子。熱纖梭菌等一些產(chǎn)纖維小體細(xì)菌具有8-16對(duì)的SigI/RsgI因子，這在其他已知類型的σ/抗σ因子中比較少見。已有的研究表明這些SigI/RsgI因子負(fù)責(zé)纖維小體的調(diào)控表達(dá)，但其結(jié)構(gòu)與功能機(jī)制仍未闡明。最近，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所代謝物組學(xué)研究組研究員馮銀剛帶領(lǐng)科研人員在熱纖梭菌的纖維小體調(diào)控因子SigI/RsgI的結(jié)構(gòu)功能機(jī)制研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。
纖維小體是由一些厭氧的梭菌分泌的多酶復(fù)合體，是高效的木質(zhì)纖維素降解分子機(jī)器，在木質(zhì)纖維素資源的降解利用和生物技術(shù)開發(fā)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。纖維小體的酶組分受到胞外底物種類的調(diào)控，關(guān)于纖維小體調(diào)控機(jī)制的研究對(duì)理解纖維小體的高效作用機(jī)制和纖維小體的應(yīng)用開發(fā)都具有重要價(jià)值。代謝物組學(xué)研究組多年來(lái)致力于梭菌及其纖維小體的研究和應(yīng)用開發(fā)，利用研究組自主研發(fā)的遺傳操作硬件設(shè)備和軟件工具，對(duì)熱纖梭菌的生理生化、纖維小體的組裝、合成調(diào)控與產(chǎn)物抑制、產(chǎn)物攝取與代謝等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為揭示SigI/RsgI在纖維小體調(diào)控中的作用機(jī)制，研究人員首先通過核磁共振實(shí)驗(yàn)闡明了RsgI與SigI的結(jié)合方式，并進(jìn)一步解析了該復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明RsgI主要通過胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與SigI的C端結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合體，其中RsgI的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域是由β片構(gòu)成的桶狀結(jié)構(gòu)，SigI的C端則由8個(gè)α螺旋形成緊密的結(jié)構(gòu)，兩者之間通過多種作用力形成穩(wěn)定的復(fù)合體。這種復(fù)合物結(jié)構(gòu)和已知的其他σ/抗σ因子復(fù)合物結(jié)構(gòu)完全不同，代表了一類獨(dú)特的σ/抗σ因子復(fù)合物結(jié)構(gòu)類型。研究人員進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)和突變分析揭示了SigI上識(shí)別啟動(dòng)子-35區(qū)DNA的關(guān)鍵區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)SigI/RsgI因子之間的識(shí)別特異性是通過兩個(gè)蛋白質(zhì)上的多對(duì)殘基之間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的。
　　這些研究結(jié)果揭示了這類新的σ/抗σ因子的結(jié)構(gòu)功能機(jī)制，使人們對(duì)于細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄過程和對(duì)胞外環(huán)境感應(yīng)的分子機(jī)制有了更多的了解，同時(shí)也有助于增進(jìn)人們對(duì)纖維小體調(diào)控機(jī)制的理解，可以為產(chǎn)纖維小體細(xì)菌的改造和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。此外，σ/抗σ因子是合成生物學(xué)研究中的重要調(diào)控元件，新的σ/抗σ因子可以為合成生物學(xué)元件開發(fā)提供更多的選擇性，而對(duì)其機(jī)制的理解將有助于改進(jìn)這些元件的性能。
　　該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和山東省的資助。在國(guó)家自然科學(xué)基金委的中以國(guó)際合作交流項(xiàng)目的資助下，以色列威茲曼科學(xué)研究所和特拉維夫大學(xué)的多位研究人員參與了該研究的完成。該研究部分高場(chǎng)核磁共振數(shù)據(jù)的收集得到廈門大學(xué)高場(chǎng)核磁共振中心博士姚宏偉的大力協(xié)助。青島能源所博士生魏真為該研究論文的第一作者，研究員馮銀剛為論文的通訊作者，代謝物組學(xué)研究組多位學(xué)生和研究人員參與了該項(xiàng)目研究工作。
　　論文鏈接

　　圖：新型σ/抗σ因子SigI/RsgI的復(fù)合物結(jié)構(gòu)和已知的其他σ/抗σ因子的復(fù)合物結(jié)構(gòu)完全不同。左圖為SigI/RsgI的結(jié)構(gòu)，右圖為三種已知的其他σ/抗σ因子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

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