纤维小体是由细菌分泌的一种高效降解木质纤维素的多酶复合体，它们的表达受到底物偶联的调控，理解其调控机制对于产纤维小体菌株的改造与应用具有重要意义。青岛能源所先进生物炼制与合成研究组在溶纤维假拟杆菌中发现了一种具有识别多种底物类型和调控纤维小体脚架蛋白功能的独特调控因子，扩展了纤维小体底物偶联转录调控的经典模型。该成果近日发表于国际期刊Protein Science。

纤维小体是通过脚架蛋白和酶蛋白组装形成的分子机器，其表达受到多对σ^I/anti-σ^I（SigI/RsgI）因子的调控，anti-σ^I因子可以与特定的多糖底物结合，并将感应信号传递到胞内，释放其结合的σ^I因子，随后σ^I因子招募RNA聚合酶启动特定纤维小体基因的转录与表达，进而降解对应的底物。溶纤维假拟杆菌的纤维小体是目前已知最复杂的纤维小体，同时拥有最多的已知σ^I/anti-σ^I因子。研究团队针对纤维小体的结构、功能、调控开展了长期系统的研究，并在此基础上开发了基于纤维小体的生物质能源应用技术。近期，研究人员在溶纤维假拟杆菌σ^I/anti-σ^I因子的研究中发现， SigI4/RsgI4具有独特的功能（图1）。首先， RsgI4的底物感应模块是一种特殊的Fn3'结构域，这类结构域虽然在很多蛋白质中发现，但多数尚未证明具有多糖结合功能。通过多糖结合实验，研究人员发现RsgI4的Fn3'结构域可以结合多种多糖，而不是一种特定的多糖组分。进一步的核磁共振、晶体结构解析以及突变分析揭示了关键的多糖结合位点，表明该Fn3'结构域是一种新型的碳水化合物结合模块（CBM）。通过对启动子序列的分析，发现SigI4识别的纤维小体基因主要是多种核心脚架蛋白的启动子，而不是某一类纤维小体酶基因。由于脚架蛋白在纤维小体降解各类多糖底物时都是需要的，这一结果和RsgI4的Fn3'结构域可以结合多种多糖相一致，表明SigI4/RsgI4是一种感应多种多糖底物进而调控脚架蛋白的调控因子。

图1 溶纤维假拟杆菌中SigI4/RsgI4的独特功能

（A）RsgI4的胞外Fn3'结构域能够结合多种多糖。（B）RsgI4的Fn3'结构域的核磁共振溶液结构。（C）RsgI4的Fn3'结构域的晶体结构。（D）Fn3'结构域中可能的底物结合位点。（E）SigI4识别主要脚架蛋白的启动子。

这些发现扩展了纤维小体的转录调控模型（图2），指出除了针对特定多糖底物组分来调控特定的酶类型这种方式之外，还可以通过一对专门的调控因子感应多种多糖底物来调控纤维小体脚架蛋白。此外，研究表明在溶纤维假拟杆菌中的16对σ^I/anti-σ^I因子中，包括SigI4/RsgI4在内目前一共只有6对的功能是比较明确的，另外10对σ^I/anti-σ^I因子的功能仍有待进一步的阐明。

图2 溶纤维假拟杆菌中基于σ^I/anti-σ^I因子的纤维小体底物偶联转录调控模型

该研究由先进生物炼制与合成研究组冯银刚研究员带领完成，副研究员东升为论文的第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛能源所国际合作等项目的资助。(文/图 冯银刚)

原文链接：https://doi.org/10.1002/pro.5193

Sheng Dong,Chao Chen,Jie Li,Ya-Jun Liu,Edward A. Bayer,Raphael Lamed,Itzhak Mizrahi,Qiu Cui,Yingang Feng* (2024). Unique Fn3-like biosensor in σ^I/anti-σ^I factors for regulatory expression of major cellulosomal scaffoldins in Pseudobacteroides cellulosolvens. Protein Sci. 33(11):e5193.