链霉菌ANTAR类RNA结合蛋白PdtaR介导的次级代谢转录后调控的分子机制

Two-component system (TCS) plays an important role in the regulation of secondary metabolism of Streptomyces. However, given that the vast majority of response regulators (RRs) in TCSs are DNA-binding proteins, currently, the research of TCS-mediated regulation of secondary metabolism are performed at the transcriptional level. In fact, in Streptomyces, there exist some RRs acting as RNA-binding proteins. The genes encoding such RRs are very conservative and not located next to the genes encoding histidine kinases. To date, the biological functions as well as the mechanism of these RRs still remain to be elucidated. Just recently, in our laboratory, one such RR (designated as PdtaR) has been identified as playing a global role in the regulation of both pristinamycin biosynthesis and morphological differentiation in Streptomyces pristinaespiralis. The project aims to systematically reveal the mechanism of PdtaR-mediated regulation of pristinamycin production and development at the post-transcriptional level. Meanwhile, we will also carry out the study of the biological function of its homologous gene in Streptomyces coelicolor and explore the universality of PdtaR regulation. This study is expected to reveal a post-transcriptional mechanism of TCS-mediated regulation in Streptomyces for the first time and thereby improve our understanding of the regulatory network of secondary metabolism in the genus Streptomyces.

双组分系统（TCS）在链霉菌次级代谢中发挥着重要的调控功能。由于绝大多数TCS的应答调控蛋白（RR）是DNA结合蛋白，因此，关于TCS的调控研究主要聚焦在转录水平。其实，链霉菌中还存在属于RNA结合蛋白的RR，其编码基因在基因组上孤立存在（称为孤立RR）。这种新型孤立RR在每种链霉菌中只有唯一一个且十分保守，至今它们的功能及机制尚不清楚。我们在始旋链霉菌中鉴定的参与原始霉素合成与形态分化全局调控的PdtaR蛋白就属于这种类型。本项目拟采用RNA测序与RNA-蛋白质互作等技术手段，鉴定与PdtaR匹配的组氨酸激酶及其直接作用的靶基因群，精确定位其识别的RNA基序，进而解析这种新型RR介导的次级代谢转录后调控机制。同时，将对pdtaR的同源基因进行功能研究，以探究这种机制的普适性。本研究有望在链霉菌中首次揭示TCS介导的次级代谢转录后调控机制，从而将进一步完善链霉菌的次级代谢调控网络。

双组分系统（TCS）由组氨酸蛋白激酶（HK）和应答调控蛋白（RR）两部分组成，它们在链霉菌次级代谢过程中发挥着重要的调控功能。绝大多数RR为DNA结合蛋白，但在链霉菌中还存在属于ANTAR类RNA结合蛋白的RR，其编码基因在基因组上孤立存在（称为孤立RR）。这种RR在每种链霉菌中只有一个且十分保守，至今它们的功能及机制尚不清楚。本研究证实这种新型RR（命名为PdtaR-p由SSDG_04087编码）在始旋链霉菌中参与原始霉素合成以及形态分化的全局调控。pdtaR-p的缺失导致原始霉素产量急剧下降与形态分化异常，突变体主要表现为气生菌丝及孢子形成受阻，呈现光秃表型。将pdtaR-p基因导入突变体可以完全回补表型变化。随后，在生物信息学分析的基础上，通过基因缺失突变体的构建结合体外磷酸化等技术手段，鉴定了与PdtaR-p匹配的上游HK（命名为PdtaS-p，由SSDG_02492编码），它们组成一对TCS。这是首次在链霉菌中完成ANTAR类RNA结合蛋白的功能鉴定，并证实其生物活性是磷酸化依赖的。pdtaR-p/pdtaS-p同源基因在链霉菌中广泛存在，通过对天蓝色链霉菌中的同源基因（pdtaR-c/pdtaS-c，由SCO2013/SCO5239编码）的功能研究，证实PdtaR-p/PdtaS-p及其同源蛋白介导的调控作用在链霉菌中是相当保守的。为了深入揭示PdtaR/S介导的调控机制，本研究运用DNA芯片对天蓝色链霉菌pdtaR-c缺失引起的转录谱差异进行了系统分析。结果显示，突变体中氮代谢全局性调控基因glnR及其下游靶基因的转录均显著下调，预示PdtaR-c参与的代谢调控是由GlnR所介导的。与ΔpdtaR-c突变体呈现光秃表型一致的是，气生菌丝形成相关的chaplin基因（chpA-H）以及表面活性分子SapB编码基因ramS的转录均急剧下调；与孢子形成有关的2个whi基因（whiH和whiI）也显著下调。以上研究成果进一步丰富大家对于此类新型RR的调控功能的现有认知。此外，本项目还发展了基于CRISPR/FnCpf1(来源于新凶手弗朗西丝氏菌)的高效基因组编辑及转录抑制技术，为链霉菌的遗传操作以及功能基因组学研究提供了又一有力工具。该技术是现有基于CRISPR/SpCas9链霉菌基因组编辑技术的有益补充。