LipR——苏云金芽胞杆菌在葡萄糖环境中调控胞内pH值的转录因子
南开大学生命科学学院蔡峻教授团队的文章“LipR functions as an intracellular pH regulator in Bacillus thuringiensis under glucose conditions”于2023年2月11日在mLife 正式上线。该研究团队基于苏云金芽胞杆菌的耐葡萄糖特性，开展了筛选负责耐糖的关键调控因子及解析其工作机制的研究，发现LacI家族的转录因子LipR介导了苏云金芽胞杆菌的耐葡萄糖特性。
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背景介绍
生长环境和营养条件的改变会造成细菌胞内pH值的波动，影响细菌的各项生理过程，为此细菌已经进化出维持胞内pH值的能力。葡萄糖是大多数异养生物的首选碳源，但过量的葡萄糖会使细胞内酸性代谢物积累，导致胞内pH值下降，从而抑制细菌生长。苏云金芽胞杆菌能够很好地应对葡萄糖压力，但其背后的调控机制目前知之甚少。
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主要科学发现
该研究以苏云金芽胞杆菌BMB171为研究对象，发现LacI家族转录因子LipR的缺失会导致该菌在富含葡萄糖的培养基中生长缓慢。研究发现，基因lipR的缺失导致突变株ΔlipR在葡萄糖环境中的胞内pH值迅速下降（pH值约5.4，而出发菌株BMB171约6.5），从而造成该菌生长停滞（图1）。
图1 在富含葡萄糖的培养基中突变株ΔlipR胞内pH下降，且生长缓慢
通过EMSA、DNase I footprinting和RNA-seq实验，确定了LipR的直接靶标和结合基序（GAWAWCRWTWTCAT），发现LipR的一个直接靶标是gapN基因，该基因编码糖酵解中的关键酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶（图2）。
图2 LipR的直接靶标和结合基序的鉴定
LipR的缺失会导致gapN基因表达上调，使糖酵解加速，胞内pH值降低。此外，通过大量筛选找到了LipR的亲和配体Ni2+，Ni2+的存在减弱LipR与DNA的结合（图3）。
图3 Ni2+是LipR的亲和配体
作者还进一步调查了调控LipR表达的调控因子，发现它受到转录因子LipR、CcpA和AbrB以及双功能sRNA YhfH的调控。该研究揭开了细菌胞内pH值受多因子、多层次、网络化精细调控的神秘面纱。
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总结展望
该研究揭示了苏云金芽胞杆菌耐葡萄糖的机制，为后续筛选和改造耐葡萄糖的工业菌株提供了理论基础。
引用本论文：Cai X, Qin J, Li X, Yuan T, Yan B, Cai J. LipR functions as an intracellular pH regulator in Bacillus thuringiensis under glucose conditions. mLife. 2023. https://doi.org/10.1002/mlf2.12055
第一作者
蔡霞 讲师
作者单位：兰州理工大学生命科学与工程学院
作者简介：2022年博士毕业于南开大学，主要从事细菌的基因表达调控研究。
通讯作者
蔡峻 教授
作者单位：南开大学生命科学学院
作者简介：博士, 教授，博士生导师。中国农业生物技术学会第5-6届理事会理事。主要研究生防微生物的杀虫、抗病的分子机制，芽胞杆菌功能基因的表达调控以及芽胞杆菌的合成生物学。先后主持国家重点研发课题、国家自然科学基金、教育部出国留学人员科研启动基金、天津市自然科学基金等项目，已在Microbiology Spectrum，PLoS Pathogens，mLife，Environmental Microbiology, Pest Management Science等杂志上发表科研论文近60篇，获得发明专利4项。2010年获国家科技进步二等奖（排名第二）， 2016年获“宝钢优秀教师奖”。
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