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2025年10月28日，我院田长富教授课题组在《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在线发表了题为“Cyclic-di-GMP interferes with DNA-MucR-DNA bridging to derepress genes targeted by the xenogeneic silencer MucR”的研究论文，系统解析了次级信号分子c-di-GMP作为“分子钥匙”解除α-变形菌纲保守外源基因沉默蛋白MucR转录抑制功能的分子机制。

水平基因转移是细菌泛基因组中附属基因的重要来源，但是如何平衡附属基因表达所带来的“收益”与“代价”对复杂环境中细菌的生存与演化至关重要。Sinorhizobium fredii (费氏中华根瘤菌) 作为α-变形菌纲 (包括多种动植物共生与病原菌) 的模式共生固氮菌之一，具有典型的开放泛基因组，能够与一百余属的豆科植物建立共生关系，其中包括大豆、豇豆、木豆等重要豆科作物。在前期研究中，田长富课题组发现：锌指转录因子MucR是维持S. fredii CCBAU45436高效共生固氮所必需的 (Jiao and Wu et al., 2016 MPMI)；MucR具有自身寡聚化和桥连DNA等外源沉默蛋白的趋同演化特征 (Shi et al., 2022 NAR)；MucR既能促进转座元件插入高AT条件性有害基因 (Guo et al., 2023 ISME J)，也能全局性负调控高AT共生与逆境适应功能基因的转录 (Jiao and Zhang et al., 2022 ISME J)。但是，MucR的高AT靶基因是如何被解除转录抑制从而在环境适应过程中发挥作用的呢？该团队在前期工作中还发现MucR全局性抑制S. fredii CCBAU45436所有8个功能性二鸟苷酸环化酶编码基因的转录，二鸟苷酸环化酶催化重要次级信号分子c-di-GMP的合成 (Li et al., 2021 mBio)。那么，信号分子c-di-GMP是否可能参与部分MucR靶基因的转录调控呢？

在该研究中，团队以广宿主费氏中华根瘤菌S. fredii CCBAU45436为对象，在纯培养条件和大豆根瘤内上调二鸟苷酸环化酶表达水平，提升根瘤菌细胞内的c-di-GMP水平，发现：根瘤菌在固体表面合成生物被膜的能力增强，在大豆上形成了更多但无效的根瘤，对根瘤细胞的侵染能力降低；在自生和共生条件下根瘤菌的能量代谢通路显著下调 (转录组)，NAD⁺/NADH比例也显著下降，说明发生了能量代谢与“c-di-GMP正调控基因”表达之间的权衡。进一步分析细胞内c-di-GMP水平升高条件下MucR的ChIP-seq图谱，发现c-di-GMP调控元与MucR靶基因集合存在部分重叠，但是MucR在基因组的募集图谱并没有随c-di-GMP浓度增加而发生显著变化。

图1. c-di-GMP通过介导MucR的C端DNA结合结构域 (CTD) 相互作用，破坏DNA-MucR1-DNA桥连结构

为了进一步解析c-di-GMP调控MucR靶基因转录的分子机制，在转录组与ChIP-seq分析的基础上，该研究以含阿拉伯糖多糖合成基因簇 (uxs1-apsH) 为范例，利用MST、ITC、EMSA、DNA-bridging、cross-linking、BLI、定点突变等体外和体内实验揭示了依赖c-di-GMP的“全局-局部”信号协同模块解除MucR靶基因转录抑制的调控过程：(1) 随着c-di-GMP浓度升高，c-di-GMP首先与高亲和力受体MucR的C端DNA结合结构域 (CTD) 互作，通过促进CTD发生分子内与分子间相互作用，降低其高阶寡聚化程度，从而有效瓦解其介导的“DNA-MucR-DNA”桥连结构，但是这一过程并没有解除全部MucR与靶DNA的结合 (图1)；(2) 随着c-di-GMP水平的进一步升高，c-di-GMP与其低亲和力受体转录因子CuxR结合，CuxR-c-di-GMP复合物启动靶基因uxs1-apsH的转录 (图2)。值得注意的是，在mucR缺失突变株中，c-di-GMP和CuxR并不是uxs1-apsH转录所必需的。上述调控机制确保了根瘤菌仅在必要时 (如在根表等固体表面形成生物被膜时) 才启动这一高耗能的多糖合成过程，而在根瘤内共生时，MucR全局性抑制二鸟苷酸环化酶编码基因的转录从而避免不必要的c-di-GMP诱导的多糖合成及其引起的能量代谢负担，维持共生固氮效率。

图2 c-di-GMP依赖的反沉默激活隐性基因转录的工作模型

该研究拓展了对第二信使调控网络中“全局-局部”协同调控模式的认知，鉴定了一个全新的c-di-GMP效应蛋白MucR，揭示了c-di-GMP解除外源基因沉默蛋白MucR转录抑制的分子机制，为进一步利用这类“全局-局部”协同“锁钥”调控模块构建人工设计的外源功能基因回路打下了基础。

我院田长富教授为通讯作者，博士研究生刘宁宁和李梦琳博士 (已毕业) 为共同第一作者，焦健副教授、石文涛博士 (已毕业) 以及太阳集团2007官网入口在读研究生许彦惠、田雨、陈雨晴、郭佳宁、童欢参与了该研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、植物抗逆高效全国重点实验室创新项目以及中国农业大学2115人才发展计划等项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nar/gkaf1069