2025年2月13日，南京中醫(yī)藥大學醫(yī)學院，鼓樓臨床醫(yī)學院林煒教授團隊、鼓樓臨床醫(yī)學院感染科李婕教授團隊、浙江大學醫(yī)學院馮鈺教授團隊合作在Nature子刊Nature Communications雜志上發(fā)表了題為Structural insights into transcription regulation of the global OmpR/PhoB family regulator PhoP from Mycobacterium tuberculosis的研究成果。該研究解析了結(jié)核分枝桿菌毒力因子PhoP與靶標基因啟動子DNA及RNA聚合酶的復合物電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了PhoP靈活調(diào)控磷源、氮源壓力應激基因轉(zhuǎn)錄的雙重轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，為全面認識結(jié)核分枝桿菌在宿主體內(nèi)的逆境生存調(diào)控機制奠定了基礎，該研究是林煒教授團隊繼Mol. Cell（2017, 2018）、Nat Commun（2019）、Nucleic Acids Res（2020, 2021, 2022a, 2022b）、PNAS（2023）、iScience（2024）之后在病原微生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制研究和新型抗感染藥物靶標發(fā)現(xiàn)領域取得的又一項系統(tǒng)性創(chuàng)新成果。

結(jié)核病，是由結(jié)核分枝桿菌感染導致的一類慢性傳染性疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)顯示，2024年全球結(jié)核病發(fā)病人數(shù)約為1080萬，死亡人數(shù)約為125萬。目前，對于活動性結(jié)核病患者的治療主要采用以利福平、異煙肼、鏈霉素等為抗感染藥物的長期聯(lián)合治療方案。經(jīng)過治療后，大部分侵入人體的細菌被清除，但是仍有小部分耐藥菌以休眠的形式潛伏在宿主體內(nèi)，造成持續(xù)性感染。全球大約25%的人屬于結(jié)核病潛伏感染者，破解結(jié)核潛伏感染問題已成為開發(fā)新型抗結(jié)核感染藥物的主要難點。

轉(zhuǎn)錄是病原微生物的核心生命活動，由高度保守的RNA聚合酶執(zhí)行，多樣化的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始是病原微生物高效調(diào)控應激基因表達快速響應環(huán)境壓力變化的關鍵步驟。結(jié)核分枝桿菌是胞內(nèi)寄生菌，面對逆境條件已進化出多種信號傳導系統(tǒng)，其中雙組分信號傳導系統(tǒng)的組氨酸激酶和應答調(diào)控蛋白在細菌應對復雜環(huán)境壓力、提高適應性方面發(fā)揮了重要作用。在放線菌屬細菌中，PhoP不僅在磷酸鹽匱乏的情況下，參與激活磷酸鹽代謝相關基因的轉(zhuǎn)錄，同時還可與氮代謝應答調(diào)控蛋白GlnR協(xié)調(diào)抑制氮代謝基因amtB的轉(zhuǎn)錄。作為雙功能的應答調(diào)控蛋白，PhoP全局性調(diào)節(jié)磷、氮、碳代謝基因的轉(zhuǎn)錄，并通過調(diào)節(jié)參與毒力、脂質(zhì)合成、缺氧等100多個基因的表達而重塑結(jié)核分枝桿菌的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡，對結(jié)核分枝桿菌在宿主體內(nèi)的潛伏感染發(fā)揮著關鍵作用，但其轉(zhuǎn)錄激活與抑制的分子調(diào)控機制并不清楚。

圖1 結(jié)核分枝桿菌PhoP依賴型轉(zhuǎn)錄激活復合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

本研究運用冷凍電鏡技術(shù)解析了三種結(jié)核分枝桿菌全局性調(diào)控蛋白PhoP依賴型轉(zhuǎn)錄激活復合物（PhoP-TACs）的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了一種PhoP依賴型轉(zhuǎn)錄抑制復合物（PhoP-TRC）的調(diào)控模型，揭示了PhoP如何與啟動子DNA、RNA聚合酶作用雙重調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄的分子機制。在PhoP-TACs中，PhoP的C端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域可分別首尾相連串聯(lián)成二聚體、四聚體或六聚體的方式特異識別啟動子DNA上的相應結(jié)合位點（PHO box），PhoP的N端應答結(jié)構(gòu)域通過與RNA聚合酶的保守結(jié)構(gòu)域廣泛相互作用而進一步穩(wěn)定復合物結(jié)構(gòu)，促進轉(zhuǎn)錄起始。在PhoP-TRC中，一個PhoP二聚體通過PhoP-PHO box、PhoP-GlnR和αCTD-DNA 相互作用競爭性結(jié)合啟動子DNA上游的GlnR結(jié)合位點，并顯著扭轉(zhuǎn)DNA。PhoP 通過這種獨特結(jié)合產(chǎn)生的空間位阻效應阻止額外GlnR分子的結(jié)合，進而發(fā)揮“競爭性抑制”轉(zhuǎn)錄的作用。該研究系統(tǒng)揭示了結(jié)核分枝桿菌PhoP依賴型雙重轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制及共性調(diào)控元件，深化了對結(jié)核分枝桿菌磷源、氮源饑餓壓力應激調(diào)控的認識，可為抗結(jié)核潛伏感染藥物研發(fā)提供新靶標和新思路。 

圖2  PhoP依賴型的轉(zhuǎn)錄激活與轉(zhuǎn)錄抑制調(diào)控模型

南京中醫(yī)藥大學為該論文的第一作者和通訊作者單位，南京中醫(yī)藥大學林煒教授、史婧副教授，南京中醫(yī)藥大學鼓樓臨床醫(yī)學院李婕教授，浙江大學醫(yī)學院馮鈺研究員為該論文的共同通訊作者，南京中醫(yī)藥大學史婧副教授、研究生馮貞貞、宋倩以及浙江大學醫(yī)學院博士生溫璦嘉為該論文的共同第一作者。本研究獲得了國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFC2308200）、國家自然科學基金重大項目（81991523）、江蘇省優(yōu)秀青年基金項目（BK20230064）、江蘇高校“青藍工程”中青年學術(shù)帶頭人項目、江蘇省優(yōu)勢學科中西醫(yī)結(jié)合領軍團隊、江蘇省十四五重點學科基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學等項目資助。

原文鏈接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56697-x