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2023年10月13日，中國科學院生物物理研究所朱平研究團隊與中國科學院青島生物能源與過程研究所馮銀剛研究團隊合作，在《Nature Communications》雜志發表了題為"Structure of the transcription open complex of distinct σI factors"的研究論文。該研究發現熱纖梭菌轉錄調控因子σI具有一種獨特的組裝和啟動子識別機制，并揭示了熱纖梭菌σI因子進行啟動子特異識別并調控纖維小體基因轉錄的分子機制。
以熱纖梭菌為代表的一類厭氧梭菌能夠通過外泌一種多酶復合體--纖維小體高效降解利用木質纖維素，在生物能源開發中具有重要價值。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，其中大部分屬于σ70家族。熱纖梭菌的纖維小體轉錄調控因子σI與大部分σ因子同源度較低，是細菌轉錄調控σ因子家族中的一個獨特成員（圖1A）。
在該研究中，研究者制備了兩種不同的σI轉錄調控因子（SigI1, SigI6）與RNA核心聚合酶RNAP、以及啟動子DNA形成的三元轉錄開放復合物，并利用冷凍電鏡單顆粒三維重構技術獲得了這些轉錄開放復合體的近原子分辨率結構。研究者發現，由σI因子介導形成的轉錄開放復合體雖然在整體結構上與σ70家族其它轉錄復合體具有保守性，但σI因子具有一種獨特的啟動子識別機制（圖1B）：首先，σI的C端結構域（SigIC）通過螺旋-轉角-螺旋（HTH）與啟動子-35元件的DNA大溝（即啟動子上的特異性識別區）結合，其結合方式與σ70家族其它成員σ4結構域中的HTH在大溝中的結合呈現約180°的旋轉；同時，SigIC還通過一個保守的組氨酸插入到-35元件的DNA小溝（即啟動子中保守的A-tract區域）中，顯示SigI C端結構域對啟動子-35元件的一種獨特識別模式。其次，σI的N端結構域（SigIN）的-10元件識別模式也具有新穎的特征，SigIN結構域與-10元件的CGWA形成保守的相互作用，-10區域的轉錄泡堿基全部向外翻轉并與SigIN形成廣泛的蛋白質-核酸相互作用。這些互作是啟動子活性的調節元件，決定了 σI因子識別不同纖維小體基因的轉錄強度的差異。
以上結果表明熱纖梭菌轉錄調控因子σI具有一種獨特的啟動子識別機制，對于理解熱纖梭菌如何調控纖維小體基因的表達，進而對熱纖梭菌及其纖維小體的改造與應用具有重要意義。同時，σI因子與其它σ因子在啟動子識別機制上的不同及σI因子的獨特性也豐富了研究者對于微生物轉錄調控多樣性的理解和認識。
圖1：SigI與其它σ因子的啟動子識別機制比較示意圖
中國科學院生物物理研究所朱平研究團隊博士生張浩楠和中國科學院青島生物能源與過程研究所馮銀剛研究團隊博士生李頡為該論文的共同第一作者，朱平研究員和馮銀剛研究員為該論文的共同通訊作者，青島生物能源與過程研究所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教授等為本文做出了重要貢獻。該研究工作得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的資助。
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