“转录”中国科学院揭示热纤梭菌转录调控因子σI的独特启动子识别机制

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2023年10月13日，中国科学院生物物理研究所朱平研究团队与中国科学院青岛生物能源与过程研究所冯银刚研究团队合作，在《Nature Communications》杂志发表了题为"Structure of the transcription open complex of distinct σI factors"的研究论文。该研究发现热纤梭菌转录调控因子σI具有一种独特的组装和启动子识别机制，并揭示了热纤梭菌σI因子进行启动子特异识别并调控纤维小体基因转录的分子机制。

以热纤梭菌为代表的一类厌氧梭菌能够通过外泌一种多酶复合体--纤维小体高效降解利用木质纤维素，在生物能源开发中具有重要价值。细菌的σ因子是基因转录过程中负责启动子识别的关键因子，其中大部分属于σ70家族。热纤梭菌的纤维小体转录调控因子σI与大部分σ因子同源度较低，是细菌转录调控σ因子家族中的一个独特成员（图1A）。

在该研究中，研究者制备了两种不同的σI转录调控因子（SigI1, SigI6）与RNA核心聚合酶RNAP、以及启动子DNA形成的三元转录开放复合物，并利用冷冻电镜单颗粒三维重构技术获得了这些转录开放复合体的近原子分辨率结构。研究者发现，由σI因子介导形成的转录开放复合体虽然在整体结构上与σ70家族其它转录复合体具有保守性，但σI因子具有一种独特的启动子识别机制（图1B）：首先，σI的C端结构域（SigIC）通过螺旋-转角-螺旋（HTH）与启动子-35元件的DNA大沟（即启动子上的特异性识别区）结合，其结合方式与σ70家族其它成员σ4结构域中的HTH在大沟中的结合呈现约180°的旋转；同时，SigIC还通过一个保守的组氨酸插入到-35元件的DNA小沟（即启动子中保守的A-tract区域）中，显示SigI C端结构域对启动子-35元件的一种独特识别模式。其次，σI的N端结构域（SigIN）的-10元件识别模式也具有新颖的特征，SigIN结构域与-10元件的CGWA形成保守的相互作用，-10区域的转录泡碱基全部向外翻转并与SigIN形成广泛的蛋白质-核酸相互作用。这些互作是启动子活性的调节元件，决定了 σI因子识别不同纤维小体基因的转录强度的差异。

以上结果表明热纤梭菌转录调控因子σI具有一种独特的启动子识别机制，对于理解热纤梭菌如何调控纤维小体基因的表达，进而对热纤梭菌及其纤维小体的改造与应用具有重要意义。同时，σI因子与其它σ因子在启动子识别机制上的不同及σI因子的独特性也丰富了研究者对于微生物转录调控多样性的理解和认识。

中国科学院生物物理研究所朱平研究团队博士生张浩楠和中国科学院青岛生物能源与过程研究所冯银刚研究团队博士生李颉为该论文的共同第一作者，朱平研究员和冯银刚研究员为该论文的共同通讯作者，青岛生物能源与过程研究所崔球研究员和刘亚君研究员、以色列维兹曼科学研究所Edward A. Bayer教授等为本文做出了重要贡献。该研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41796-4

（供稿：朱平研究组）

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