7月18日，《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所張鵬研究組和姜衛(wèi)紅研究組合作完成的研究論文，題為Molecular mechanism of environmental d-xylose perception by a XylFII-LytS complex in bacteria。該研究通過解析梭菌質(zhì)膜上負(fù)責(zé)感應(yīng)木糖信號(hào)的雙組分調(diào)控復(fù)合體XylFII-LytS的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合生理生化與遺傳學(xué)分析，揭示了細(xì)菌感受重要五碳糖—木糖并調(diào)控其吸收利用的分子機(jī)制。

木糖是秸稈等木質(zhì)纖維原料中除葡萄糖外最主要的糖組分，是自然界中儲(chǔ)量最豐富的五碳糖。如何使之為微生物高效利用并合成有用的化學(xué)品，是人們一直關(guān)注的問題。產(chǎn)溶劑梭菌是一類重要的工業(yè)微生物，它可以通過發(fā)酵產(chǎn)生丁醇、乙醇和丙酮等大宗化學(xué)品及生物燃料。盡管該菌可以利用一定量的木糖，但效率低下。在之前的研究中，姜衛(wèi)紅研究組發(fā)現(xiàn)在梭菌細(xì)胞內(nèi)膜上存在一類保守的雙組分蛋白復(fù)合體XylFII-LytS，用于感受環(huán)境中的木糖并調(diào)控其利用。這是木糖代謝過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但其分子機(jī)制卻知之甚少。

該項(xiàng)工作中，在研究員張鵬和姜衛(wèi)紅的指導(dǎo)下，李建戌等解析了拜氏梭菌中的木糖信號(hào)感應(yīng)復(fù)合體XylFII-LytS周質(zhì)空間結(jié)構(gòu)域（XylFII-LytSN）在結(jié)合與不結(jié)合木糖狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)。通過對這些結(jié)構(gòu)的比較與分析發(fā)現(xiàn)，木糖分子可以特異性地結(jié)合在XylFII蛋白上，并誘導(dǎo)其N端和C端結(jié)構(gòu)域由開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)。這種構(gòu)象改變進(jìn)而誘導(dǎo)兩個(gè)XylFII-LytSN二聚體形成異源四聚體，成為有利于信號(hào)傳導(dǎo)的分子構(gòu)架。因此推斷，結(jié)合兩分子木糖的XylFII-LytS異源四聚體是其活性形式，木糖信號(hào)經(jīng)由這一四聚體中的兩分子組氨酸激酶LytS傳導(dǎo)到膜內(nèi)，通過激活應(yīng)答調(diào)控蛋白啟動(dòng)木糖ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白XylFGH的表達(dá)來改善木糖的利用。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用生理生化及遺傳學(xué)方法，通過定點(diǎn)突變目的蛋白的關(guān)鍵氨基酸殘基，并結(jié)合梭菌體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和表型分析，證實(shí)了上述推斷。該研究揭示了細(xì)菌木糖信號(hào)感受及調(diào)控的內(nèi)在分子機(jī)制，為這一重要五碳糖的利用和工業(yè)菌株的分子改造提供了新的思路和依據(jù)。

該研究得到了基金委和中科院的經(jīng)費(fèi)支持。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集工作得到了上海光源17U線站和國家蛋白質(zhì)中心（上海）設(shè)施19U1/U2線站的支持與幫助