作者：尤迪
近日，我校生物工程学院和生物反应器工程国家重点实验室叶邦策教授团队在蛋白质酰基化修饰与生物合成代谢研究领域再次取得重要进展，相关研究成果以“A meet-up of acetyl phosphate and c-di-GMP modulates BldD activity for development and antibiotic production”为题，发表于国际知名学术期刊 Nucleic Acids Research。
蛋白质的翻译后修饰是一种所有生命体固有的调控机制，对于调控细胞功能，决定细胞生长、发育等生命活动有序、高效进行具有重要作用。放线菌作为产抗生素种类最多、最具商用价值的微生物细胞工厂，其次级代谢产物广泛应用于医、农、畜牧业及医药研究等各个领域。放线菌次级代谢产物的产量和种类与形态分化密切相关，该过程受到营养信号与代谢波动的级联网络调控。已有的研究表明，放线菌的形态分化主要由第二信使c-di-GMP和广域调控因子BldD的互作控制，但影响该过程的上游信号及其作用机理仍然未知。解析其分子机制并精准调控放线菌的形态分化，对于全面理解放线菌生理代谢的分子基础，及以放线菌为底盘的高效合成生物系统工程化设计理论与方法研究具有重要意义。
叶教授团队研究发现，广域调控因子BldD的酰基化修饰及转录抑制作用影响放线菌生长分化及红霉素合成。BldD作为放线菌中广泛存在且高度保守的全局性调控因子，其转录调控活性受到c-di-GMP的调控，c-di-GMP可与BldD结合形成六聚体，从而增强BldD的调控活力。BldD是放线菌形态分化的抑制因子，也是红霉素等次级代谢产物合成的转录激活因子。在红霉素生产菌（红霉糖多孢菌）中，通过位点鉴定和体内体外实验分析证实，外界环境或营养胁迫引起细胞内积累的乙酰磷酸（acetyl phosphate，AcP）与c-di-GMP协同调控BldD的转录调控活性；AcP诱导的K11位点乙酰化显著抑制BldD形成二聚体以及与c-di-GMP结合形成多聚体，进而抑制BldD对靶基因的转录调控，导致形态分化相关基因（whiG，bldM，bldN）的转录抑制解除，以及红霉素合成相关基因（eryBIV，eryAI，ermE，eryK）的转录抑制，从而引起孢子发育起始时间提前，以及红霉素产量下降。利用叶教授团队开发的翻译后修饰代谢工程（PTM-ME）技术，获得了ObldDK11R菌株，能够消除K11位点乙酰化对红霉素合成的不利影响，进一步强化BldD对红霉素合成的正调控能力，提升红霉素终产量。进一步进化分析显示，BldD的K11位点在放线菌属中尤其是链霉菌中高度保守，从而表明通过调节该位点的乙酰化水平，控制放线菌生长发育和抗生素生产，以及应对环境胁迫具有广泛的意义。该研究解析了AcP诱导的乙酰化共价修饰与c-di-GMP非共价结合协同调控放线菌发育与次级代谢的分子机制，开拓了翻译后修饰的新功能，有助于全面理解微生物固有的翻译后修饰系统对整体代谢网络（营养代谢与合成代谢）的交互作用及其调控规律，显示了基于酰基化修饰调控的原理和分子机制在合成生物系统工程化设计方面的应用潜能。
近年来，叶邦策教授团队在蛋白质的翻译后修饰调控与合成生物学领域取得了一系列研究成果，发现和解析了以蛋白质酰基化为代表的翻译后修饰在压力响应、蛋白质翻译、营养代谢、次级代谢产物的合成代谢以及病原微生物的致病性等过程中的新功能和分子机制；建立了基于翻译后修饰的代谢工程策略（PTM-ME）、核糖体工程策略（PTM-RE）、以及基因组与细胞工程策略（PTM-GE/CE），可广泛应用于目标产物的高效合成、指定蛋白质的选择性表达以及高效基因编辑等合成生物学领域（Proc Natl Acad Sci USA. 2016, 113: 6653-6658； Cell Chem Biol. 2018, 25: 1-12; ACS Synth Biol. 2019, 8: 371-380; ACS Infect Dis. 2021, 7: 927-936; Commun Biol. 2022, 5: 892; Mol Microbiol. 2022, doi:10.1111/mmi.14998）。
博士生符瑜为本论文的第一作者，叶邦策教授和尤迪副教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkad494/7191421