2022年10月16日，南京中医药大学医学院﹒整合医学学院病原生物学系林炜教授课题组在国际知名学术期刊Nucleic Acids Research（中科院生物一区，2021年IF=19.16）在线发表了题为“Structural basis of three different transcription activation strategies adopted by a single regulator SoxS”的研究论文，首次揭示了细菌AraC家族全局性转录调控因子SoxS对革兰氏阴性病原菌耐药基因、氧化还原压力应激基因等的转录激活调控机制，为抗耐药菌感染药物的研发提供了新型靶点和研究思路。该工作是林炜教授团队继Mol. Cell（2017, 2018)、Nat Commun（2019)、Nucleic Acids Res（2020, 2021, 2022) 之后在病原菌转录调控和新型抗耐药菌药物靶点发现领域取得的又一项全新研究成果。
革兰阴性病原菌是引起人类感染性疾病的重要病原菌，因临床常用抗菌药物种类少，细菌耐药性问题日益严峻，所致感染治疗困难，人群发病率和死亡率逐年攀升，其中，鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肠杆菌等革兰阴性病原菌已被世界卫生组织列为当前急需开发新型抗生素的重点耐药性细菌。研究表明，外膜孔道蛋白通透性改变、主动外排泵系统AcrAB-TolC等活性增强等是导致革兰阴性病原菌多重耐药性的重要机制，而外膜孔道蛋白ompF、ompC以及外排泵系统AcrAB-TolC的表达水平受到多种转录因子的协同调控，进而降低细胞外抗生素类药物、有机溶剂等进入细胞和/或增加药物外排致使细菌耐药。因此，从转录水平探究革兰氏阴性病原菌耐药基因、应激基因的分子调控机制，将对新型抗耐药菌药物靶点的发现及新药研发具有重要指导意义。
细菌AraC家族蛋白种类繁多，广泛分布于鲍曼不动杆菌、霍乱弧菌、大肠杆菌等革兰阴性病原菌中，并与细菌的耐药性、应激压力响应、毒力等紧密相关（图1A）。研究表明，与该团队近期已报道的耐药基因调控蛋白Rob（Nucleic Acids Res，2022)不同，SoxS是细菌AraC家族蛋白中最小的成员（107个氨基酸），属于全局性调控蛋白，可通过与RNA聚合酶作用使膜孔蛋白基因ompF表达下调、多重耐药操纵子marRAB、主动外排基因acrAB-TolC的表达上调，从而导致细菌对多种抗生素的耐药性增强。另外，生化和遗传学研究表明，与已有的众多转录因子不同，SoxS可以调控多种不同类型的启动子DNA，如：II类的micF (ompF的反义RNA)等、I类的zwf等和III类的acrA, mar, fpr等，而且能分别以“正向”和“反向”结合的方式激活基因转录。如此小的蛋白因子如何实现高效调控具有不同结构特征的耐药基因、应激基因启动子转录的呢？目前仍认识不够清楚。
通过采用单颗粒冷冻电镜技术，我校林炜教授团队成功解析了含大肠杆菌RNA聚合酶、大肠杆菌SoxS蛋白以及三类不同的启动子DNA(II类：耐药调控基因启动子；I类：碳代谢关键酶基因启动子；III类：氧化还原压力应激基因启动子)的转录激活复合物SoxS-TAC的电镜结构，成功捕获了SoxS单体灵活调控不同类型启动子的功能状态（图1B）。研究证明SoxS除通过保守的螺旋-转角-螺旋模体（HTH motif）识别启动子DNA的SoxS结合元件（soxsbox）外，还可以多种方式直接与RNA聚合酶的不同保守结构域相互作用进而促进转录起始。在SoxS-TACII中，SoxS单体分别利用其N端的激活结构域AR4、C端的AR3与RNA聚合酶α亚基C末端保守结构域αCTDI 265D、σ亚基的σ70R4 596D结构域相互作用促进复合物稳定和转录起始；由于I类启动子中的soxsbox距离下游RNA聚合酶更远，除SoxS AR4与αCTDI 265D相互作用外，SoxS AR3-αCTDII 287D、αCTDII 265D-DNA间的相互作用进一步促进了功能复合物的形成和稳定；与前两类复合物不同的是，III类启动子中的soxsbox不仅距离RNA聚合酶更远而且方向相反，比较巧妙的是，SoxS以“反向”结合的方式识别soxsbox，并借助于SoxS AR4-αCTDI 265D、αCTDII 265D-DNA、αCTDII-σ70R4以及αCTDI C-loop与αCTDII C-loop间“手拉手”式的复杂相互作用成功稳定了复合物并促进转录起始。该研究系统阐明了SoxS单体灵活调控细菌耐药基因、氧化还原压力应激基因、碳代谢关键酶基因启动子的分子机制，揭示了其在AraC家族蛋白中的全局性调控意义，可为新型抗耐药菌感染药物的研发提供新的靶点和研究思路。另外，该研究首次呈现并揭示了细菌RNA聚合酶的2个αCTD在基因转录调控方面的重要“桥梁”作用和普遍调控意义，可为合成生物学家高效调控细菌基因表达提供重要元件。
图1 SoxS蛋白转录激活调控的生理意义与模型
南京中医药大学为该论文的第一作者和通讯作者单位，林炜教授为该论文的第一通讯作者；史婧副教授为该论文的第一作者和共同通讯作者；博士研究生王福林、硕士研究生王璐为该论文的共同第一作者；本研究获得了国家自然科学基金面上项目（82072240、32270192、32270037）、青年基金（81903526、32000025）；江苏省自然科学基金项目（BK20190798、BK20211302）；江苏省中药资源产业化过程协同创新中心重点项目（ZDXM-2020-10）；南京中医药大学中药学一流学科开放课题项目（2020YLXK008、2020YLXK016）、江苏省基础医学重点学科及教育部霍英东青年教师基金等项目资助。（撰稿人：史婧 审核人：林炜 关晓伟）
原文链接如下：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac898/6761742
