张鹏研究组和姜卫红研究组合作揭示细菌双组分调控复合体感受木糖的分子机制

2017年7月18日，美国科学院院刊（PNAS）在线发表了我所张鹏研究组和姜卫红研究组合作完成的研究论文，题为“Molecular mechanism of environmental D-xylose perception by a XylFII-LytS complex in bacteria”。该研究通过解析梭菌质膜上负责感应木糖信号的双组分调控复合体XylFII-LytS的晶体结构，结合生理生化与遗传学分析，揭示了细菌感受重要五碳糖—木糖并调控其吸收利用的分子机制。

木糖是秸秆等木质纤维原料中除葡萄糖外最主要的糖组分，是自然界中储量最丰富的五碳糖。如何使之为微生物高效利用并合成有用的化学品，是人们一直关注的问题。产溶剂梭菌是一类重要的工业微生物，它可以通过发酵产生丁醇、乙醇和丙酮等大宗化学品及生物燃料。尽管该菌可以利用一定量的木糖，但效率低下。在之前的研究中，姜卫红研究组发现在梭菌细胞内膜上存在一类保守的双组分蛋白复合体XylFII-LytS，用于感受环境中的木糖并调控其利用。这是木糖代谢过程中的一个重要环节，但其分子机制却知之甚少。。

在本项工作中，在张鹏研究员和姜卫红研究员的指导下，李建戌博士等解析了拜氏梭菌中的木糖信号感应复合体XylFII-LytS周质空间结构域（XylFII-LytSN）在结合与不结合木糖状态下的三维结构。通过对这些结构的比较与分析发现，木糖分子可以特异性地结合在XylFII蛋白上，并诱导其N端和C端结构域由开启状态转变为闭合状态。这种构象改变进而诱导两个XylFII-LytSN二聚体形成异源四聚体，成为有利于信号传导的分子构架。因此推断，结合两分子木糖的XylFII-LytS异源四聚体是其活性形式，木糖信号经由这一四聚体中的两分子组氨酸激酶LytS传导到膜内，通过激活应答调控蛋白启动木糖ABC转运蛋白XylFGH的表达来改善木糖的利用。进一步，研究团队利用生理生化及遗传学方法，通过定点突变目的蛋白的关键氨基酸残基，并结合梭菌体内实验和表型分析，证实了上述推断。该研究揭示了细菌木糖信号感受及调控的内在分子机制，为这一重要五碳糖的利用和工业菌株的分子改造提供了新的思路和依据。

该研究得到了基金委和科学院的经费支持。实验数据收集工作得到了上海光源17U线站和国家蛋白质中心（上海）设施19U1/U2线站的支持与帮助。

图注说明：细胞膜上的双组分复合体XylFII-LytS结合木糖后发生构像变化，由异源二聚体转变为具有生理活性的异源四聚体，激活下游信号，调控木糖ABC转运蛋白复合体XylFGH的表达，向细胞内转运木糖。