华中农业大学李英俊教授团队在TOP期刊发表最新科研成果

摘要：温度刺激是地球上所有生命体必须面对的基本环境挑战，对工业微生物和农作物生长发育构成重要制约。因此，开展细胞工程改造，提升生物体对温度胁迫的耐受能力，是优化工业菌种性能和保障粮食作物可持续生产的重要策略。双组分信号转导系统作为广泛存在于生物体中的环境感知系统，可直接响应温度信号，其核心组分包括定位于细胞膜的组氨酸激酶和分布于胞质的应答调控蛋白。深入挖掘双组分系统的功能机制，并将其应用于细胞温度耐受性的精准调控，对于提升工程菌株的环境适应性及保障农业生产力具有重要意义。

近日，华中农业大学李英俊教授团队在Nucleic Acids Research上发表了题为“A novel two-component system regulates shikimate pathway for thermal adaptation in Thermus thermophilus”的研究（团队成员博士生卜旭莹为论文第一作者，李英俊教授为论文通讯作者）。该研究工作以极端嗜热菌Thermus thermophilus HB27为研究材料，使用该菌株内源性CRISPR编辑工具，系统的解析了HB27中一个响应低温的新型TCS——DhqSR，该系统经调控莽草酸途径而响应低温环境刺激。DhqSR系统的发现为生物细胞的温度适应性能改造以及生物传感器的开发提供了指导。

图1 DhqSR系统的调控策略

双组分信号转导系统在生物细胞中可直接感知、传递、响应环境信号。研究团队结合组学技术及自行开发的T. thermophilus HB27内源CRISPR工具，筛选并鉴定出该菌株中响应低温的HK——TtS（DhqS）（图2A，B）。随后，通过分析携带TtS截短体的改造菌株的温敏表型，研究团队确定了DhqS通过其膜外传感区、两个跨膜区以及膜内GAF区共同协作来完成低温信号的传导（图2C-E）。

图2 TtS的温度感知特性及传感方式

细菌双组分系统中的感知蛋白为HKs，研究团队采用了体外磷酸化方法验证了DhqS的组氨酸激酶特性，证实其ATP结合位点为Asn437，Lys440，His441，Asp465，Leu483及Thr507（图3A），其最适酶活温度为70 ℃，且于40 ℃至90 ℃均有激酶活性，热稳定性较强（图3B-D）。另经检测证明DhqS的自磷酸化位点为位于其HisKA结构域的His327（图3E-G），从而证实了其作为组氨酸激酶的功能。

图3 DhqS的组氨酸激酶特性

为解析HB27中完整的低温信号传导系统，研究团队经观察筛选应答蛋白突变株的温敏表型，鉴定出TtR（DhqR）为响应低温的应答蛋白（图4A）。此外，采用体内外互作以及磷酸化修饰检测实验，证实DhqR可与DhqS形成位于细胞膜上的蛋白复合物（图4B，C）。一个有趣的发现是DhqS兼具组氨酸激酶及磷酸酶活性，在二者作用后期DhqS会行使其磷酸酶活性，特异性地对DhqR去磷酸化（图4D）。而过量DhqR可补偿DhqS的缺失，缓解细胞受到的低温压力（图4E）。

图4 TtS与TtR的双组分系统作用关系验证

在DhqS向DhqR传递磷酸基团时，组氨酸激酶DhqS采用了非传统的组氨酸至天冬氨酸的传递模式，磷酸基团从其His327传递至DhqR的Tyr84位点（图5A-D），是一种独特且新颖的应答蛋白激活方式。

图5 DhqS激活DhqR的Tyr84

DhqSR双组分系统广泛存在于14个科中，包括：Actinospicaceae、Thermosporotrichaceae、Deinococcaceae、Thermaceae及Nitrospiraceae等，，这些科大多包含极端微生物（如嗜热菌、耐辐射菌等）（图6A）。而仅在9种Thermus中发现了与DhqSR系统及其下游调控元件3-脱氢奎尼酸脱水酶（DHQase）排列相似的基因阵列（图6B），该系统是一种Thermus特有的低温响应策略。

图6 DhqSR系统的进化关系

综上所述，该研究系统揭示了一种新颖的嗜热菌低温响应机制。DhqSR双组分系统的发现不仅为理解微生物环境适应提供了新视角，也为合成生物学和代谢工程提供了新的调控元件。

招聘：

李英俊，华中农业大学生命科学技术学院教授，博士生导师，农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室固定研究人员。农业农村部饲料和饲料添加剂生产许可专家委员会委员，全国饲料工业标准化技术委员会微生物及酶制剂标准化工作组委员，中国饲料工业协会生物饲料技术委员会委员，中国生物工程学会噬菌体技术专业委员会委员。担任Engineering microbiology青年编辑，Biofeed Science and Technology编委，《基因组学与应用生物学》编委等。荣获江苏省“双创人才”，光谷3551“产业教授”，武汉英才“优秀青年人才”。目前课题组研究方向：（1）益生菌与环境互作：微生物环境适应、动植物互作及其宿主防御机理解析；（2）益生菌与动物营养：益生菌生物制造，开发微生态制剂、生物饲料等饲用投入品；（3）益生菌与人类抗衰：以益生菌为底盘，打造工程菌智能体，开发保健抗衰工程菌；

欢迎对益生菌工程与应用感兴趣的同学报考微生物学、生物工程和生物与医药三个专业的硕士研究生和博士研究生，同时，课题组还招聘博士后、科研助理1-2名。感兴趣者可将简历、拟申请岗位和工作设想发送邮件至yingjun@mail.hzau.edu.cn。