劉國芳，王欣欣，蘇輝昭，陸光濤

細菌GntR家族轉錄調(diào)控因子的研究進展

劉國芳1，王欣欣2，蘇輝昭2，陸光濤2

1. 廣西民族大學海洋與生物技術學院，廣西多糖材料與改性重點實驗室，南寧 530008 2. 廣西大學生命科學與技術學院，南寧 530004

GntR家族轉錄調(diào)控因子是細菌中分布最為廣泛的一類螺旋–轉角–螺旋(helix-turn-helix，HTH)轉錄調(diào)控因子，此家族轉錄調(diào)控因子包含兩個功能域，分別是N端的DNA結合結構域和C端的效應物結合結構域/寡聚化作用結構域。DNA結合結構域的氨基酸序列是非常保守的，但效應物結合結構域/寡聚化作用結構域的氨基酸序列卻存在很大的差異性。目前許多GntR家族的轉錄調(diào)控因子已經(jīng)被鑒定，這些轉錄因子調(diào)控細菌許多不同的細胞過程，如運動性、葡萄糖代謝、細菌的耐藥性、病原細菌的致病力等。本文主要闡述了GntR家族轉錄調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)、二級結構、生物學功能、調(diào)控模式等方面的研究進展，旨在為研究者全面、深入地了解GntR家族轉錄調(diào)控因子的功能及作用機理提供幫助。

GntR家族轉錄調(diào)控因子；二級結構；生物學功能；調(diào)控模式

細菌經(jīng)常暴露在不斷變化的環(huán)境中。為了生長和生存，細菌能夠根據(jù)環(huán)境中可利用營養(yǎng)的數(shù)量和類型，開啟不同的調(diào)控系統(tǒng)，使細胞代謝過程能夠適應環(huán)境的變化。細菌的轉錄調(diào)控是細菌快速繁殖適應變幻莫測環(huán)境的主要機制之一[1]，其中最常見的轉錄調(diào)控方式是通過轉錄調(diào)控因子與啟動子的結合，來調(diào)控基因轉錄的起始，進而調(diào)控基因的轉錄水平。

在細菌中，已鑒定出許多轉錄調(diào)控因子，根據(jù)它們所結合DNA的模式以及自身保守的基序，人們將這些轉錄調(diào)控因子分為若干類群[2]。其中最為常見的是螺旋–轉角–螺旋(helix-turn-helix, HTH)類群，此類群的轉錄調(diào)控因子含有一個保守的α螺旋–轉角–α螺旋DNA結合結構域[3]。根據(jù)DNA結合結構域的序列，人們又將此類群的轉錄調(diào)控因子分為多個不同的家族[2]，其中GntR家族轉錄調(diào)控因子是分布最為廣泛的一類HTH轉錄調(diào)控因子。本文主要闡述了GntR家族轉錄調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)、二級結構、生物學功能、調(diào)控模式等方面的研究進展，將為轉錄調(diào)控因子調(diào)控機理的研究和動植物病原菌致病機理的研究提供新的知識和基礎。

1 GntR家族轉錄調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)和基本結構

第一個發(fā)現(xiàn)的GntR家族轉錄調(diào)控因子是枯草芽孢桿菌()中的葡萄糖酸鹽操縱子抑制子(lucoae operonepressor, GntR)[4]。GntR家族轉錄調(diào)控因子包含兩個功能域(圖1)分別是N端的DNA結合結構域(DNA-binding domain, DBD)和C端的效應物結合結構域/寡聚化作用結構域(effector- binding and oligomerization domains, EBD)。DNA結構域的氨基酸序列在GntR家族成員中是非常保守的，但效應物結合結構域/寡聚化作用結構域的氨基酸序列存在很大的差異性。根據(jù)C端氨基酸序列的不同，GntR家族轉錄調(diào)控因子分為7個亞家族(圖2)，分別是FadR (attycidegradationegulator)、HutC (istidineilization repressor)、MocR (genes of GntRegulator)、YtrA (operon transcrip-tional regulator)、AraR (L-binose operon transcri-ptionalepressor)、DevA (elopment transcriptional regulator)、PlmA (asmidaintenance)[5~7]，其中FadR、HutC、MocR、YtrA亞家族是GntR家族中比較重要的亞家族。

FadR亞家族是GntR家族轉錄轉錄調(diào)控因子中成員最多的一類，占約40%。其成員中的C端結構域包括6~7個α螺旋，由150~170個氨基酸組成。C端結構域可與效應物或者配體結合，如羧酸，結合后，蛋白的構象發(fā)生變化，進而影響與DNA的結合[8]。該亞家族轉錄調(diào)控因子是在大腸桿菌()中首次發(fā)現(xiàn)。中的FadR參與調(diào)控脂肪酸的合成與分解代謝，是一個?；o酶A結合蛋白，以二聚體的形式存在。其中N端是DNA結合結構域，C端是配體結合結構域，可以與酰基輔酶A結合[9]。

僅次于FadR亞家族的是HutC亞家族，約占GntR家族的30%。該亞家族成員的C端結構域由170個氨基酸組成，包括α螺旋和β折疊[10]。此亞家族的第一個轉錄調(diào)控因子是在惡臭假單胞菌()中發(fā)現(xiàn)。的HutC是一個組氨酸利用操縱子調(diào)節(jié)因子[11]。結構研究發(fā)現(xiàn)，此亞家族的轉錄調(diào)控因子C端的效應物結合結構域/寡聚化作用結構域的折疊方式與中發(fā)現(xiàn)的單核分支酸裂解酶很像，均以二聚體的形式存在并且在HutC亞家族中是非常保守的[12]。

MocR亞家族中的轉錄調(diào)控因子的典型特征是C端有一個比較大的效應物結合結構域/寡聚化作用結構域，平均由350個氨基酸組成。折疊方式屬于I型吡哆醛5?-磷酸鹽(pyridoxal 5?-phosphate, PLP)依賴性酶，此折疊類型的原型酶為天冬氨酸轉移酶(aspartate aminotransferase, AAT)[13]。此家族轉錄調(diào)控因子的N端DNA結合結構域和C端AAT結構域是通過多肽來連接的。多肽鏈的長度在MocR亞家族中不同成員之間是不相同的。

圖1 GntR家族蛋白結構示意圖

圖2 GntR家族轉錄調(diào)控因子亞家族成員C端二級結構的示意圖

與GntR家族中其他6個亞家族相比，YtrA亞家族中的成員的肽鏈組成較短，一般由120~130個氨基酸組成。其中大約50個氨基酸是位于C端結構域，形成2個α螺旋[14]。YtrA最早是在枯草芽孢桿菌()中發(fā)現(xiàn)的[15]。中的基因與其他5個基因構成一個操縱子。YtrA由130個氨基酸組成，負向調(diào)控操作子中基因的表達。絕大多數(shù)編碼YtrA亞家族轉錄調(diào)控因子的基因與ATP-binding cassette (ABC)轉運系統(tǒng)相關基因組成了操縱子，可以調(diào)控ABC (ATP-binding cassette)轉運系統(tǒng)相關基因的表達[10]。由于YtrA亞家族成員氨基酸組成較少，肽鏈的長度較短，給其結構的研究造成了很大的困擾。

隨著研究的深入，GntR家族蛋白越來越多的被鑒定出來。在PfAM數(shù)據(jù)庫中，GntR家族序列由2008年的8561條增長到89733條。GntR家族在細菌中廣泛分布，主要分布在變形菌門Proteobacteria，厚壁菌門Firmicutes 和放線菌門Actinobacteria等5958種細菌中(圖3)。根據(jù)各亞家族C端的差異構建系統(tǒng)發(fā)育樹，結果發(fā)現(xiàn)，MocR和PlmA在進化上雖然比較接近，但GntR家族各亞家族蛋白在整體進化上距離較遠(圖4)，說明各亞家族在進化上變化較大。

圖3 GntR家族蛋白在細菌類群中的分布

放線菌門：Actinobacteria；厚壁菌門：Firmicutes；變形菌門：Proteobacteria；擬桿菌門：Bacteroidetes。

圖4 GntR家族蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹

2 GntR家族轉錄調(diào)控因子的生物學功能

許多GntR家族轉錄調(diào)控因子已經(jīng)被鑒定。這些轉錄因子調(diào)控細菌許多不同的細胞過程[5]，包括運動性[16]、發(fā)育[17]、葡萄糖代謝[18]、細菌的耐藥性[19]、細胞的毒性[20]、病原細菌的致病力[21,22]等。

2.1 動物病原細菌中GntR家族轉錄調(diào)控因子的生物學功能

目前，與動物病原菌GntR家族轉錄調(diào)控因子相關的研究報道有很多。本文將以已報道的幾個動物病原菌中的GntR轉錄調(diào)控因子為例，闡述動物病原菌中GntR家族轉錄調(diào)控因子的生物學功能。

病原物中的FadR轉錄調(diào)控因子是一個全局調(diào)控因子，可調(diào)控脂肪酸合成、水解、轉運等相關基因的表達。其N端的DNA結合結構域可與靶基因特定的DNA序列結合；C端可與配體結合，其生理配體是LC脂肪?；o酶A硫酯。當FadR與配體結合后，F(xiàn)adR就會從靶基因的結合位點上解離下來，進而調(diào)控靶基因的表達[23](圖5)。FadR轉錄調(diào)控因子能夠抑制脂肪酸轉運相關基因(和)、編碼分解代謝相關酶基因(、、、、)的表達[9]。

圖5 大腸桿菌中FadR調(diào)控脂肪酸代謝的模式圖

銅綠假單胞菌()是一種條件致病菌，是一種醫(yī)院內(nèi)感染的主要致病菌，感染此菌后會引發(fā)一些疾病，如肺炎、細菌病、尿道和外科感染[24]。在此菌中發(fā)現(xiàn)，GntR家族轉錄調(diào)控因子不僅抑制自身基因的表達，而且參與該菌的許多代謝過程，包括抑制葡萄糖代謝過程中的關鍵酶葡萄糖酸鹽透性酶GntP的表達[24]；參與調(diào)控2-羥基喹啉和氨基苯甲酸鹽的代謝[25]。

溶血弧菌()是一種食源性病原體，有時可在受污染的海鮮中發(fā)現(xiàn)，可引致人類急性腸胃炎和出血性敗血癥。此菌中存在兩個鞭毛系統(tǒng)參與細菌的運動，在許多細菌中，運動性與病原細菌的致病、生物膜的形成和環(huán)境的適應相關[16]。在此菌中鑒定到的一個GntR家族轉錄調(diào)控因子參與調(diào)控細胞的運動性。變形鏈球菌()為革蘭氏染色陽性球菌，是齲病的主要致病菌。在此菌中所鑒定到的GntR家族轉錄調(diào)控因子StsR，是通過調(diào)節(jié)糖轉運相關基因的表達，來影響該菌早期生物膜的形成和胞外多糖(extrace-llular polysaccharide, EPS)的合成[26]。已知生物膜的形成和EPS往往與病原細菌的致病密切相關。所以，StsR極有可能參與調(diào)控變形鏈球菌的致病過程。肺炎鏈球菌()是一種重要的人類病原體，通常存在于呼吸道上部，可引致肺炎、中耳炎、腦膜炎、敗血癥等疾病。在此菌中鑒定到的GntR家族轉錄調(diào)控因子CpsR可調(diào)控莢膜多糖的合成和致病過程[27]。金黃色葡萄球菌()是一種重要的人類病原體，可引致多種感染，如膿腫、敗血癥、中毒性休克綜合癥和心內(nèi)膜炎。在此菌中鑒定到的GntR家族轉錄調(diào)控因子NorG是一個全局轉錄調(diào)控因子，調(diào)控參與多種不同細胞過程的基因[28]。布魯氏菌(spp.)能夠引起布魯氏菌病，此病是一種人畜共患的傳染病，對公眾健康及安全構成了極大危害。研究發(fā)現(xiàn)，布魯氏菌侵染巨噬細胞期間，GntR轉錄調(diào)控因子影響IV型分泌系統(tǒng)(type IV secretion system, T4SS)和群體感應系統(tǒng)相關基因的表達[20]。

綜上所述，動物病原菌中目前鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子許多是全局轉錄調(diào)控因子，可調(diào)控許多細胞過程，包括運動性、生物膜的形成、胞外多糖的合成、群體感應等。這些全局性轉錄調(diào)控因子通過調(diào)控與動物病原菌致病相關的細胞過程，進而影響病原細菌的致病過程。

2.2 植物病原細菌中GntR家族轉錄調(diào)控因子的生物學功能

相較于動物病原菌，植物病原菌中關于GntR家族轉錄調(diào)控因子的研究相對較少。十字花科黑腐病菌(pv.,)能夠引起十字花科植物發(fā)生黑腐病。在此菌中鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子HpaR1是一個全局轉錄調(diào)控因子，調(diào)控許多細胞過程，包括致病過程、III型分泌系統(tǒng)(type III secretion system, T3SS)相關基因的表達、致病因子胞外多糖、胞外纖維素酶相關基因的表達等[29~31]。柑橘潰瘍病菌(ssp.)是一種對柑橘危害很大的致病菌，引發(fā)柑橘潰瘍病，導致世界范圍的柑橘產(chǎn)量減少。此菌中鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子YtrA調(diào)控細菌致病過程、T3SS和III型效應物(type III effectors, T3Es)相關基因的表達、細菌在寄主和培養(yǎng)基中的生長等多個細胞過程[32]。

除以上動植物病原菌之外，在一些非致病菌中也鑒定到了GntR家族轉錄調(diào)控因子。灰色鏈霉菌()中鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子DasR參與調(diào)控N-乙酰氨基葡萄糖的代謝[33]；天藍色鏈霉菌()中鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子DevA與該菌的發(fā)育相關[17]；慢生型大豆根瘤菌()中鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子MocR與該菌的運動性、生物膜的形成等相關[34]。

3 調(diào)控模式

轉錄調(diào)控因子通過識別基因啟動子區(qū)的特定序列并與其結合，進而調(diào)控基因的轉錄。根據(jù)調(diào)控機制的不同分為正轉錄調(diào)控(轉錄激活)和負轉錄調(diào)控(轉錄抑制)兩類，GntR家族轉錄調(diào)控因子絕大多數(shù)是轉錄抑制子。

基因轉錄抑制主要包括3種模式[35]：(1)轉錄因子結合在啟動子區(qū)的?10區(qū)附近，使得RNA聚合酶(RNA polymerase, RNAP)無法與啟動子結合，進而抑制基因的轉錄；(2)轉錄因子結合在啟動子的特定位置，使啟動子區(qū)的構象發(fā)生改變，形成一個環(huán)，封閉了啟動子的?35區(qū)和?10區(qū)，使得RNAP無法與啟動子結合，阻止了轉錄的起始；(3)某些基因的轉錄需要轉錄激活因子，而轉錄抑制因子通過與轉錄激活因子相互作用，使得激活因子無法起到激活轉錄的作用，進而阻止轉錄的起始。

在植物病原細菌中所鑒定的GntR家族轉錄調(diào)控因子HpaR1，其功能及調(diào)控模式不同于以往報道的GntR家族轉錄調(diào)控因子。HpaR1是一個全局轉錄調(diào)控因子，屬于YtrA亞家族，正調(diào)控多種不同的細胞過程，包括胞外多糖、胞外酶活性、運動性以及抗逆性等多種細胞過程[29]。其調(diào)控的EPS的合成，是通過正調(diào)控一簇與EPS合成相關的基因操縱子來實現(xiàn)的。HpaR1結合在基因啟動子區(qū)的?35區(qū)和?10區(qū)之間。一般而言，轉錄調(diào)控因子結合在基因啟動子的?35區(qū)和?10區(qū)內(nèi)，會阻斷RNAP沿DNA模板鏈的移動，從而抑制基因的轉錄，因而是起到一個轉錄抑制子的作用。但是HpaR1卻是通過與RNAP蛋白間的相互作用，增強了RNAP與基因啟動子區(qū)的結合，從而增強了基因的表達。因此，HpaR1對基因的調(diào)控模式是一種新的調(diào)控模式[30]。

目前的研究報道主要集中在某個轉錄調(diào)控因子的調(diào)控模式的研究，但是細胞內(nèi)的轉錄調(diào)控因子往往是形成一個調(diào)控網(wǎng)絡發(fā)揮作用的。中的HpaR1和另一個全局性轉錄調(diào)控因子Clp，能夠以一種特有的模式共同調(diào)控胞外纖維素酶主?；?)表達(圖6)。HpaR1和Clp均正調(diào)控的轉錄。HpaR1結合在啟動子區(qū)的?35區(qū)上游包括?35區(qū)序列(HpaR1 binding site, HBS)；Clp在啟動子區(qū)中有兩個結合位點，CBSI (Clp binding site I)位于啟動子區(qū)的?35區(qū)上游，CBSII (Clp binding site II)位于啟動子區(qū)的?35區(qū)上游包括?35區(qū)序列，其中CBSII與HBS是部分重疊。HpaR1對轉錄激活效率低于Clp，但對啟動子區(qū)的結合能力比Clp更強。因此HpaR1能將Clp從CBSII結合位點驅(qū)逐出來，從而與Clp一起，精細地調(diào)控的轉錄水平[31]。

圖6 HpaR1、Clp調(diào)控engXCA的模式圖

A：HapR1、Clp均能與啟動子區(qū)結合，Clp與啟動子區(qū)有兩個結合位點，其中CBSII與HBS是重疊的；B、C：HpaR1、Clp在體外均能激活基因的轉錄；D：HpaR1與Clp相比，HpaR1與啟動子區(qū)有更高的親和力，并且能將Clp從其結合位點CBSII驅(qū)逐下來[31]。

4 結語與展望

隨著功能基因組學的發(fā)展，轉錄調(diào)控因子的研究取得了極大的進展。越來越多的GntR家族轉錄調(diào)控因子被鑒定。但是目前關于GntR家族轉錄調(diào)控因子的研究主要還是集中在其生物學功能的研究，對于其結構、配體以及兩個或者兩個以上轉錄調(diào)控因子共同調(diào)控一個靶基因的研究相對比較少。因此，GntR家族轉錄調(diào)控因子與其它轉錄因子共同調(diào)控靶基因的作用機理是一個有趣的研究方向。我們對中兩個全局轉錄調(diào)控因子HpaR1和Clp共同調(diào)控一個靶基因進行研究，已篩選出的一些候選靶基因與該菌的致病相關，包括編碼致病因子胞外纖維素酶與胞外多糖等基因。這些研究將有利于病原菌致病網(wǎng)絡的構建，給人們防治動植物病害提供理論基礎。

另外，目前只有很少的GntR家族蛋白的晶體結構被解析，如中的FadR、谷氨酸棒狀桿菌()中的LldR、中的YvoA等。GntR家族中的轉錄調(diào)控因子的晶體比較難獲得，與靶標DNA共結合的晶體就更加難獲得。結構得不到解析，對該家族轉錄調(diào)控因子功能的研究也造成了很大的影響。已知GntR家族轉錄調(diào)控因子C端結構域與配體結合后，使轉錄調(diào)控因子與靶基因結合或者解離，進而調(diào)控靶基因的轉錄水平。但目前只篩選到了很少的配體，主要是因為目前還沒有快速大量篩選配體的方法，而細菌生活的環(huán)境又是復雜多變的，環(huán)境中的許多小分子物質(zhì)都有可能是GntR家族轉錄調(diào)控因子的配體。只有快速篩選配體技術的發(fā)展，才能獲得大量的配體。GntR家族轉錄調(diào)控因子往往可調(diào)控致病菌的致病過程。因此，通過鑒定其配體，可以此作為藥物靶標，來防治動植物病害。

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Progress on the GntR family transcription regulators in bacteria

Guofang Liu1, Xinxin Wang2, Huizhao Su2, Guangtao Lu2

In bacteria, GntR family transcription regulators are the widespread family of transcription factors. Members of this family consist of two functional domains, a conserved N-terminal DNA-binding domain that contains a typical helix-turn-helix (HTH) motif and a C-terminal effector-binding or oligomerization domain. Usually, the amino acid sequences of N-terminal DNA-binding domains are highly conserved, but differ in the C-terminal effector-binding or oligomerization domains. In the past several decades, many GntR family transcription regulators have been characterized in a number of bacteria. These regulators control a variety of cellular processes such as cell motility, glucose metabolism, bacterial resistance, pathogenesis and virulence. In this review, we summarized the discovery, C-terminal domains, biological function and regulation mode of GntR family transcription regulators. This review will help researchers to obtain more knowledge about the functions and mechanisms of the GntR family transcriptional regulatory factors.

GntR family transcription regulators; C-terminal domains; biological function; regulation mode

2020-09-18;

2020-12-07

廣西民族大學科研基金項目(青年基金項目，編號：2019KJQN004) 和廣西科技重大專項項目(桂科，編號：AA18242026) 資助 [Supported by Guangxi University for Nationalities Scientific Research Fund (No. 2019KJQN004)，and Science and Technology Major Project of Guangxi (No. AA18242026)]

劉國芳，博士，副教授，研究方向：植物保護。E-mail: lgf8411@126.com

陸光濤，博士，研究員，研究方向：植物保護。E-mail: lugt@gxu.edu.cn

10.16288/j.yczz.20-245

2020/12/11 15:29:42

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20201211.0900.001.html

(責任編委: 梁海華)