拟核结合蛋白Lsr2调控玫瑰孢链霉菌隐性基因簇激活的分子机理

Streptomyces produce a wealth of secondary metabolites with a wide range of biological activities. However, its producing potential was hampered by the fact that vajority of the gene cluster are not expressed in laboratory conditions. The mechanisms underling the activating the cryptic gene cluster was not fully resolved. Nucleoid-associated proteins (NAPs) are important components of bacterial chromosome and involve in a number of crucial biological processes. Our previous study show that inactivation of an actinomycetes specific NAPs, lsr2 resulted in the activation of several cryptic gene cluster in Streptomyces roseosporus. The project takes the cryptic mureidomycin gene cluster as an exmaple, aims to investigate the role of lsr2 in direct control of mur gene expression, screen and charaterize the novel global regulator invovled in mur biosynthesis, investigate the cross-talk between Lsr2 and new identified regulator. Taken these results togeter, we will elucidate the mechanism underling activation of mur by Lsr2. The results will enrich the theory of cryptic gene cluster activation and provide new way for discovering novel natural products

细菌隐性基因簇是新天然产物的重要来源，其激活机制是尚未完全揭示的前沿科学问题。拟核结合蛋白（NAPs）既是细菌染色体高级结构的重要组成部分，同时也常作为全局调控因子参与重要的生理过程，但其在隐性基因簇激活方面的报道非常少。课题组前期研究发现：拟核结合蛋白Lsr2基因敲除在转录水平激活了玫瑰孢链霉菌多个隐性基因簇的表达。本项目以隐性mureidomycin基因簇为研究对象，利用遗传学、生物信息与生物化学等手段，研究Lsr2通过直接抑制途径特异性调控因子MurR及间接通过PhoPR二元调控系统抑制MurR从而达到对MurR的负调控作用，进而控制mureidomycin的合成的分子机制。本项目的研究结果不仅对丰富链霉菌隐性基因簇激活分子机理有重要的理论意义，而且可以为新化合物的发现提供新的途径和思路。

链霉菌是微生物药物的重要产生菌。基因组学研究发现链霉菌基因组蕴含巨大的次级代谢产物合成潜力，包含大量的隐性生物合成基因簇。虽然科学家通过多种方式激活了隐性基因簇的表达，但是基因簇沉默的分子机理尚未阐明。细菌拟核结合蛋白是拟核的重要结构蛋白，并且能够调控基因表达。Lsr2是首先在结核分枝杆菌中发现的一种DNA桥联蛋白，负调控大量基因的表达，特别是通过水平基因转移获得的基因。链霉菌生物合成基因簇中相当一部分是通过水平基因转移获得的，因此我们推测放线菌中高度保守的Lsr2可能是调控链霉菌隐性基因簇表达的关键蛋白。. 为了证实这个假设，我们选择重要抗生素-达托霉素产生菌玫瑰孢链霉菌为研究对象。该菌除了达托霉素基因簇外，还具有25个生物合成基因簇，其中大部分是隐性的。玫瑰孢链霉菌含有两个Lsr2蛋白（Lsr2和LsrL），Lsr2缺失导致该菌的表型和次级代谢产物谱均发生变化，而LsrL的缺失对生长发育和代谢都无影响，这表明Lsr2具有重要的功能。转录组测序发现Lsr2普遍抑制基因的表达，并且调控了11个生物合成基因簇的基因转录。为了深入解析Lsr2调控隐性基因簇表达的分子机制，我们选择了Δlsr2中转录上调倍数最多的mur基因簇。Mur基因簇产生对铜绿假单胞菌和结核分枝杆菌具有活性的mureidomycin。过表达途径特异性调控基因murA激活了mureidomycin的产生。MurA结合mur基因簇内基因的启动子序列，包含了mur基因簇中所有的转录单元，说明了MurA正调控mur基因簇基因的表达。在Δlsr2中敲除murA基因，双敲除菌株丧失了产生mureidomycin的能力。此外，Lsr2可直接结合murA的启动子，这些结果表明Lsr2可通过结合murAp抑制其表达，从而抑制mureidomycin的生物合成。Lsr2包含二聚化和DNA结合结构域，通过蛋白截短和定点突变分析，表明这两个结构域是Lsr2发挥调控所必需的。普适性的初步研究发现，在其它链霉菌中敲除lsr2也能够激活隐性基因簇的表达。本研究表明Lsr2是调控链霉菌隐性基因簇表达的关键蛋白，该发现为激活隐性基因簇和发现新化合物提供了新策略。.