纖維小體是一類可以高效降解木質纖維素生物質的多酶復合體，在生物質能源與合成生物學中具有廣泛的應用價值。產纖維小體細菌根據底物種類調控纖維小體組分的表達，從而實現對特定底物類型的高效降解。在典型的產纖維小體細菌熱纖梭菌中，一類特殊的σ和anti-σ因子SigI-RsgI負責感應底物并調控纖維小體基因的轉錄。青島能源所與生物物理所的研究人員合作，通過低溫電鏡技術解析了熱纖梭菌的兩個SigI因子和RNA聚合酶、啟動子形成的轉錄開放復合體結構，發現SigI因子具有獨特的結構域組織和啟動子識別模式，進一步闡明了不同的SigI因子特異性識別啟動子從而調控纖維小體組分的分子機制。該成果于2023年10月13日在線發表于Nature Communications。
細菌的σ因子是基因轉錄過程中負責啟動子識別的關鍵因子，大部分σ因子屬于σ70家族，根據它們的結構和啟動子識別特征被分為四個組。負責調控纖維小體表達的SigI-RsgI因子與其它σ-anti-σ因子的同源度較低，無法直接歸屬到已知的分組之中，具有獨特的結構功能機制。青島能源所代謝物組學研究組系統研究了纖維素降解熱纖梭菌和它產生的纖維小體的高效作用機制，并基于熱纖梭菌和纖維小體開發了具有自主知識產權的木質纖維素生物轉化工藝。熱纖梭菌中多對具有高度序列同源性的SigI-RsgI介導了胞外底物偶聯纖維小體組分的調控，是熱纖梭菌纖維小體具有高底物降解活性的關鍵因素之一。RsgI在沒有胞外底物的情況緊密結合SigI因子并抑制其轉錄活性，而在感應到特定種類的胞外底物時將信號傳導到胞內，并釋放相應的SigI因子招募RNA聚合酶，特異性啟動一組特定纖維小體基因的轉錄。研究組前期闡明了熱纖梭菌中RsgI特異性抑制SigI因子轉錄活性的結構分子機制（2019 Nucleic Acids Research, https://doi.org/10.1093/nar/gkz355），揭示了RsgI的跨膜信號傳導機制（2023 Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.adg4846）。為了進一步理解SigI特異性識別啟動子從而啟動特定纖維小體基因轉錄的機制，研究人員重構了包含SigI的轉錄開放復合體（RPo），并利用冷凍電鏡單顆粒技術解析了兩種不同SigI因子的RPo的近原子分辨率結構（圖1）。
圖1. 通過結構解析揭示SigI因子識別啟動子的機制。（A）SigI-RsgI通過感應底物調控纖維小體轉錄的機制。（B）包含SigI6的轉錄開放復合體的冷凍電鏡結構。（C）SigI6對啟動子-35和-10區的識別方式。
通過結構分析發現，不同于已知的σ70家族成員僅結合啟動子-35區域的大溝，SigI能夠同時結合于啟動子-35區的大溝和小溝中，小溝區域對應于SigI識別的啟動子所具有的特征性A-tract區域，大溝區域對應于決定啟動子特異性的關鍵區域。同時，相比于其他已知σ70家族成員的螺旋-轉角-螺旋（HTH）結構結合-35區域大溝的方式，SigI識別啟動子大溝使用的HTH結構旋轉了180度。在啟動子-10區域，與其他已知的σ70家族成員相比，SigI因子具有更多的外翻堿基和更多蛋白質-核酸相互作用。因此，SigI在啟動子識別方式上與其他已知的σ70完全不同，代表了一類獨特的σ因子類型（圖2）。通過對比兩個不同SigI形成的RPo復合體的結構差異，揭示了不同SigI因子的啟動子識別特異性機制，并進一步通過枯草芽孢桿菌異源報告系統和體外轉錄系統進行了驗證。該研究對細菌轉錄的基礎分子生物學提供了新的洞察，為熱纖梭菌及其纖維小體的改造與應用、基于σ-anti-σ因子的合成生物學開發提供了新的基礎。
圖2 SigI因子具有和已知的4組σ70家族σ因子不同的結構域組成和啟動子識別方式。
該研究由青島能源所馮銀剛研究員與生物物理所朱平研究員聯合指導完成，馮銀剛研究員和朱平研究員為該論文的共同通訊作者，青島能源所代謝物組學研究組博士生李頡、生物物理研究所博士生張浩楠為該論文的共同第一作者。該項研究得到組內崔球研究員和劉亞君研究員、以色列維茲曼科學研究所Edward A. Bayer教授的大力協助。中國科學院植物生理生態研究所張余研究員課題組、中國科學院天津工業生物技術研究所張大偉研究員課題組為該研究提供了重要的幫助。該研究成果得到了國家自然科學基金委、科技部、山東能源研究院、青島市和中國科學院的資助。（文/圖 馮銀剛）
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41796-4
Jie Li#, Haonan Zhang#, Dongyu Li, Ya-Jun Liu, Edward A. Bayer, Qiu Cui, Yingang Feng*, Ping Zhu* (2023) Structure of the transcription open complex of distinct σI factors. Nature Communications 14:6455.
