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中国科大等揭示调控蓝藻碳氮代谢平衡的新机制

发布时间:2018-01-03来源:中国科学技术大学点击量:401
中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心和生命科学学院教授周丛照、陈宇星课题组,与中科院水生生物研究所教授张承才课题组合作,阐明了蓝藻全局性转录因子NdhR通过结合不同的代谢小分子,快速响应环境变化,协同调控碳氮代谢的分子机制。该研究成果以Coordinating carbon and nitrogen metabolic signaling through the cyanobacterial global repressor NdhR为题,发表在PNAS上。

  碳氮代谢是各种生物生存和生长所必需的,而微生物通过精细调控碳氮代谢平衡来适应不同的生长环境。蓝藻是地球上古老的自养光合生物,有些能够分化出异形胞进行固氮作用,是研究碳氮代谢的模式生物。正常情况下,光合作用的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶RubisCO能够利用CO2生成3-磷酸甘油酸,并进入三羧酸循环生成alpha-酮戊二酸(2-OG),而2-OG可以作为碳骨架与氮源进一步合成氨基酸等重要分子。在CO2缺乏时,RubisCO则利用O2生成2-磷酸乙醇酸(2-PG)。因此2-OG和2-PG在蓝藻中的浓度是负相关的,二者可以作为碳氮平衡的指示剂。



  研究人员利用X-射线晶体学手段,解析蓝藻碳代谢全局性转录抑制子NdhR的三维结构,这是目前解析的第一个LysR家族转录抑制子全长蛋白的结构。通过大量的生化筛选,发现2-OG和2-PG分别是NdhR的协同抑制子和诱导子。结合结构生物学、生物化学和微生物遗传学实验,发现蓝藻中氮浓度偏低时,2-OG浓度升高,NdhR与2-OG结合后与DNA启动子区域的亲和力增强,从而抑制碳转运相关基因的转录,以维持蓝藻内的碳氮平衡。当蓝藻内碳浓度偏低时,2-PG浓度升高,NdhR结合2-PG后构象发生变化,从启动子区域释放下来,其抑制子活性被解除,碳转运相关基因大量表达,进而实现碳氮平衡。

  该工作阐明了LysR家族转录抑制子的一种全新调控机制,并揭示蓝藻利用单个转录因子对代谢产物的响应来维持体内碳氮代谢平衡的分子机理,加深了对微生物代谢平衡的理解。分子动力学模拟部分的工作得到了中国科大生命科学学院教授张志勇的帮助,晶体数据收集在上海光源完成。

  研究工作得到了国家自然科学基金委重点项目、中科院战略性先导科技专项和科技部项目的资助。

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