近日，华中农业大学生命科学技术学院李英俊教授团队研究成果以“A novel two-component system regulates shikimate pathway for thermal adaptation in Thermus thermophilus”在Nucleic Acids Research发表。研究以极端嗜热菌Thermus thermophilus HB27为研究材料，使用内源性CRISPR编辑工具和系列生化实验，系统解析了HB27中一个响应低温的新型双组分系统——DhqSR。生命科学技术学院博士研究生卜旭莹为论文第一作者，李英俊教授为论文通讯作者。
研究团队以嗜热菌Thermus thermophilus HB27为研究对象，这种细菌最适生长温度为65℃，在50℃的低温下就会生长受阻。通过转录组分析，他们找到了9个表达受温度影响的组氨酸激酶基因。敲除这些基因后，只有一个命名为TtS（后改名为DhqS）的基因缺失株表现出明显的低温敏感表型——在50℃几乎不能生长，但在65℃和80℃生长正常。这表明DhqS是细菌适应温度变化的关键蛋白。进一步的蛋白结构域分析发现，DhqS的传感器结构域、跨膜结构域和GAF结构域共同构成了一个完整的温度感知模块。缺少其中任何一个部分，细菌的温度适应能力都会受损。通过生化实验，研究团队证实DhqS确实是一个典型的组氨酸激酶，其第327位的组氨酸是自磷酸化位点。但这个系统真正让人意外的地方在后头。
按照教科书知识，组氨酸激酶通常把磷酸基团传递给响应调控蛋白的天冬氨酸。然而，当研究团队寻找DhqS的搭档蛋白TtR（后改名为DhqR）的磷酸化位点时，他们发现了一个意想不到的结果。质谱分析显示，DhqR的磷酸化位点是第84位的酪氨酸，而不是预期的天冬氨酸。当把酪氨酸突变成丙氨酸后，DhqR完全不能被磷酸化，细菌也失去了低温适应能力；而当天冬氨酸突变成丙氨酸后，磷酸化不受影响，细菌仍然可以正常生长。
这是一个颠覆传统认知的发现——首次报道细菌双组分系统通过组氨酸-酪氨酸磷酸化传递信号。
图1 DhqSR系统的调控策略
DhqSR双组分系统调控的下游基因是什么？通过DNA免疫沉淀测序，研究团队发现DhqR可以结合三个启动子区域：自身启动子、dhqS启动子，以及一个编号为HB27c_C1022基因的启动子。HB27c_C1022与下游的HB27c_C1023基因共转录。HB27c_C1023编码的蛋白是II型3-脱氢奎尼酸脱水酶，这是莽草酸途径的关键酶。莽草酸途径是合成芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）的必经之路。在低温条件下，酶促反应速率会下降。嗜热菌通过上调莽草酸途径关键酶的表达，增加芳香族氨基酸的供应，从而保证蛋白质合成不受影响。这是一种非常聪明的适应策略。
图2 DhqSR系统的进化关系
有趣的是，DhqSR系统并不是Thermus thermophilus HB27特有的。系统发育分析显示，含有DhqS、DhqR、HB27c_C1022和DHQase同源基因的物种分布在14个细菌科中，包括耐辐射奇球菌等极端环境微生物。特别是在Thermus属中，这种基因排列方式高度保守。这表明DhqSR系统可能是极端微生物应对环境胁迫的一个通用适应性模块。
