两种IclR型转录因子对葡萄糖与芳香族化合物调控的交互作用

来源:The interplay between glucose and aromatic compound regulation by two IclR-type transcription factors, LigR1 and LigR2, in Pseudomonas putida KT2440(Microbiological Research)| 编译:DNA Lab Space | 原文许可:elsevier-subscription

📎 相关工具:蛋白可溶性优化分析

导读

植物根际是微生物竞争营养的激烈战场。恶臭假单胞菌KT2440凭借其强大的代谢网络在此环境中繁盛生长,但其如何在糖类与芳香族化合物之间进行代谢优先级排序,机制尚不清楚。本研究鉴定出两个相邻操纵子lig1和lig2,由两种IclR型转录因子LigR1和LigR2协同调控,介导葡萄糖、莽草酸途径中间体和芳香族化合物的选择性摄入与分解。研究发现了一个双重调控系统,重新定义了土壤假单胞菌的代谢灵活性,并揭示了莽草酸途径在能量供给中的意外角色。

研究背景

植物根际是围绕植物根部的狭窄土壤区域,是一个动态且代谢复杂的环境,微生物在此竞争营养和空间(Solomon et al., 2024)。该生态位中的营养格局持续波动,受碳源组成和可用性变化的影响,并受植物种类、发育阶段和土壤类型等因素塑造(Berg and Smalla, 2009; Chaparro et al., 2014)。恶臭假单胞菌KT2440凭借其高度通用的代谢网络在此环境中繁盛生长,能够高效处理多种碳化合物(Molina et al., 2020)。已有研究表明,KT2440按层级顺序代谢碳源——优先利用有机酸,其次是氨基酸、葡萄糖等糖类,最后才是芳香族化合物(Shrestha et al., 2023)。相比之下,其他菌株如P. putida M2和P. putida CSV86即使在存在糖类的情况下也优先利用芳香族化合物(Basu et al., 2006; Shrestha et al., 2023)。P. putida的糖类和芳香族代谢受到一系列转录调控因子的严格调控,这些因子在操纵子水平局部作用以控制基因表达(del Castillo et al., 2008; Jiménez et al., 2002; Udaondo et al., 2018)。

本研究聚焦于KT2440中两个相邻操纵子lig1和lig2的调控机制。lig1操纵子含有一个莽草酸脱氢酶(SDH)同源物RifI,该基因虽在15年前已被鉴定,但其生物学功能至今未明确(Peek et al., 2012; Singh et al., 2008)。该基因簇还编码两个FAD结合氧化还原酶、一个NIPSNAP能量传感器、一个MFS转运蛋白,以及一个反向转录的IclR型转录调控因子pp_2609(LigR1)(Mao et al., 2014)。与其它SDH同源物不同,该基因簇缺乏相关的莽草酸途径酶。紧邻其下游是第二个操纵子lig2,包含另一个IclR型调控因子(pp_2601, LigR2)、一个假定的糖磷酸异构酶(pp_2603)以及ligC——编码4-羧基-2-羟基-粘康酸-6-半醛脱氢酶,该酶此前被证明在Sphingomonas paucimobilis SYK-6中介导原儿茶酸通过4-5途径裂解(Masai et al., 2000)。

研究方法

2.1 菌株、质粒、培养基及生长条件

菌株和质粒列于表S1,引物列于表S2。DH5α大肠杆菌菌株(质粒宿主)和BL21大肠杆菌菌株(蛋白生产)在Luria Bertani(LB)肉汤/琼脂培养基中于37°C培养。携带pET28MOD或pBBR1-MCS2质粒的大肠杆菌菌株使用50 µg mL⁻¹卡那霉素。携带pEX18Ap质粒的大肠杆菌菌株使用100 μg mL⁻¹氨苄青霉素筛选。携带pUCp20g或pmp220质粒的大肠杆菌菌株分别使用15 μg mL⁻¹庆大霉素和10 μg mL⁻¹四环素筛选。恶臭假单胞菌KT2440在LB肉汤/琼脂培养基或补充了25 mM葡萄糖、4-羟基苯甲酸、奎尼酸和原儿茶酸(pH 7.4)的M9基本培养基中于30°C培养。携带pEX18Ap载体的KT2440菌株使用500 μg mL⁻¹羧苄青霉素或30 µg mL⁻¹庆大霉素筛选。携带pmp220 lacZ报告质粒或pBBFLP重组酶质粒的KT2440菌株在10 µg mL⁻¹四环素条件下筛选。携带pBBR1-MCS2或pUCp20g载体变体的KT2440菌株分别使用50 µg mL⁻¹卡那霉素或15 µg mL⁻¹庆大霉素筛选。ΔligR2 KT2440菌株使用50 µg mL⁻¹卡那霉素和30 µg mL⁻¹氯霉素筛选。

【数据】培养基:LB/M9;温度:37°C(E. coli)/30°C(P. putida);抗生素浓度:50 µg mL⁻¹卡那霉素、100 μg mL⁻¹氨苄青霉素、15 μg mL⁻¹庆大霉素、10 μg mL⁻¹四环素、500 μg mL⁻¹羧苄青霉素、30 µg mL⁻¹庆大霉素、30 µg mL⁻¹氯霉素;碳源:25 mM葡萄糖/4-羟基苯甲酸/奎尼酸/原儿茶酸;pH:7.4

2.2 蛋白表达与纯化

用pET28MOD:ligR1和pET28MOD:ligR2转化的BL21细胞接种于含50 µg mL⁻¹卡那霉素的LB中,培养至对数期(OD600nm 0.6–0.8)。用0.4 mM异丙基-β-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导蛋白表达,培养物在16°C孵育16小时。离心收集细胞,将沉淀重悬于35 mL结合缓冲液(50 mM TRIS-HCl, 5 mM咪唑, 5%甘油, 500 mM NaCl)中,加入1 mM苯甲脒和苯甲基磺酰氟(PMSF)蛋白酶抑制剂。细胞裂解采用预冷的French press和超声处理。通过离心去除细胞碎片,重组蛋白用镍-次氮基三乙酸(Ni-NTA)亲和层析纯化,方法如前所述(Peek et al., 2017)。用于电泳迁移率变动实验的LigR1和LigR2,可溶部分首先通过平衡的阴离子交换纤维素DE52柱,以去除与蛋白结合的带负电荷DNA。每个洗脱组分中加入1 mM EDTA和0.33 mM二硫苏糖醇(DTT),蛋白存在通过1/4稀释的Bradford试剂确认。使用烟草蚀纹病毒(TEV)蛋白酶在4°C过夜透析(10 mM TRIS-HCl pH 7.5, 250 mM NaCl, 5%甘油, β-巯基乙醇)期间切割六组氨酸标签。使用第二次Ni-NTA亲和层析柱纯化未带标签的蛋白。蛋白在4°C过夜透析,随后离心浓缩至终体积1 mL。

【数据】诱导剂:0.4 mM IPTG;温度:16°C;时间:16h;缓冲液:50 mM TRIS-HCl, 5 mM咪唑, 5%甘油, 500 mM NaCl;蛋白酶抑制剂:1 mM苯甲脒/PMSF;EDTA:1 mM;DTT:0.33 mM;透析缓冲液:10 mM TRIS-HCl pH 7.5, 250 mM NaCl, 5%甘油

2.3 拟南芥根系分泌物收集(用于共结晶)

哥伦比亚生态型拟南芥种子用70%乙醇表面灭菌,然后在无菌水中于4°C吸胀至少三天。吸胀后的种子在聚合物网布上生长,网布置于含2.5 mM MES(pH 5.6)、1%蔗糖的0.5X Murashige和Skoog(MS)盐溶液上方,在持续光照、室温条件下生长2周。两周龄幼苗取出,用蒸馏水冲洗,然后转移至装有15 mL蒸馏水的Magenta®盒中,室温振荡孵育72小时以收集根系分泌物。随后移除幼苗,将水汇集并在SpeedVac™中浓缩至约250倍体积减少。浓缩的根系分泌物经无菌过滤后储存于−20°C。

【数据】种子灭菌:70%乙醇;吸胀:4°C、≥3天;培养基:0.5X MS + 2.5 mM MES pH 5.6 + 1%蔗糖;生长时间:2周;分泌物收集:15 mL蒸馏水、72h、室温振荡;浓缩倍数:约250X;储存温度:−20°C

2.4 LigR1的结晶、数据收集与结构解析

包含残基1–256的全长LigR1蛋白采用悬滴气相扩散法在25°C结晶。结晶条件为:0.1 M Tris-HCl pH 8.0、0.2 M Li₂SO₄、0.020 M NH₄Acetate、8% w/v PEG3350,并加入根系分泌物化合物。液滴含2 µL蛋白溶液(10 mg mL⁻¹)和2 µL结晶溶液。衍射数据在同步辐射APS Beamline 17-ID(芝加哥,伊利诺伊州)上使用Dectris Pilatus 6 M像素探测器收集。图像用XDS处理,强度用Aimless标定和合并,并使用CCP4套件中的MOSFLM还原(Agirre et al., 2023)。LigR1结构通过分子置换法解析,使用来自Rhodococcus sp. RHA1的IclR结构(PDB: 2IA2)作为搜索模型,并用Phenix套件中的AutoBuild进行修正(Liebschner et al., 2019)。结构通过使用Phenix套件中的Refine和Coot进行迭代循环精修完成。乙酸、4-羟基苯甲酸和反式肉桂酸(t-cinnamic acid)的放置通过Phenix套件中的Ligand Fit完成,使用0.5配体占据阈值并将搜索参数设置为可用配体密度。

【数据】结晶温度:25°C;条件:0.1 M Tris-HCl pH 8.0、0.2 M Li₂SO₄、0.020 M NH₄Acetate、8% w/v PEG3350;蛋白浓度:10 mg mL⁻¹;液滴:2 µL蛋白 + 2 µL结晶液;光束线:APS Beamline 17-ID;探测器:Dectris Pilatus 6M

2.5 差示扫描荧光法

20 µL反应体系含50 µM LigR1或LigR2、10X SYPRO橙色蛋白凝胶染料(Sigma)和HEPES缓冲液(100 mM HEPES pH 7.5和150 mM NaCl),制备方法如前所述(Vedadi et al., 2006)。使用0至5 mM的浓度梯度为LigR1生成4-羟基苯甲酸和t-肉桂酸饱和曲线。对于LigR2,在pH 7.5条件下测试奎尼酸、原儿茶酸、4-羟基苯甲酸,浓度均为0.25 mM。每个反应在96孔板中制备四次重复,使用25°C至95°C的温度梯度测量热位移,速率为每分钟1°C。所有反应在BioRad CFX Real-Time System C1000热循环仪上运行。荧光输出以0.4°C增量记录,使用荧光素酰胺(FAM)通道,激发波长为OD450–490nm,发射波长为OD560–580nm。蛋白熔解温度从'CFX96 Manager'软件可视化,并使用GraphPad Prism 10.3.1©软件绘图。LigR1与4-羟基苯甲酸和t-肉桂酸的平衡解离常数(KD)值使用GraphPad Prism 10.3.1©软件的单一位点总结合非线性回归分析确定。

【数据】蛋白浓度:50 µM;染料:10X SYPRO橙;缓冲液:100 mM HEPES pH 7.5 + 150 mM NaCl;配体浓度梯度:0–5 mM(LigR1)/0.25 mM(LigR2);温度范围:25–95°C;升温速率:1°C/min;激发/发射:OD450–490nm/OD560–580nm

2.6 电泳迁移率变动实验(EMSA)

EMSA使用纯化的全长DE52和Ni-NTA纯化的LigR1或LigR2蛋白进行,方法如前所述(Prezioso et al., 2018)。从rifI基因上游的基因间区域扩增250 bp生物素标记DNA探针。该lig1基因间区域探针从P. putida KT2440基因组DNA扩增,使用5'端生物素标记的正向引物和未标记的反向引物,分别针对lig1(LigR1_IR-F/R)和lig2操纵子(LigR2_IR-F/R)。20 µL结合反应体系包含无EDTA结合缓冲液、15 ng标记DNA探针、25 ng µL⁻¹ poly(dI-dC)非特异性竞争DNA、全长LigR1蛋白(浓度范围20 nM至960 nM)。对于LigR2,使用相同的结合缓冲液条件,但测试的蛋白浓度范围为25 nM至1 µM。对于测试配体效应的EMSA,使用50 nM LigR1和0至500 nM变化的4-羟基苯甲酸浓度。对于LigR2,使用50 nM蛋白和750 nM奎尼酸、4-羟基苯甲酸、原儿茶酸和t-肉桂酸(pH 7.5)。生物素标记DNA:蛋白反应混合物在25°C孵育30分钟。孵育后,样品在5%非变性聚丙烯酰胺凝胶上分离,凝胶使用冰预冷的0.5X Tris-硼酸-EDTA(TBE,pH 7.5)缓冲液制备。使用带正电荷的尼龙膜,通过半干电转印在380 mA下转移DNA 30分钟,使用0.5X TBE。随后,DNA用300 nm紫外光交联至膜30分钟。膜在TBS-T中洗涤3次。

【数据】探针大小:250 bp;DNA探针:15 ng;竞争DNA:25 ng µL⁻¹ poly(dI-dC);LigR1浓度:20–960 nM;LigR2浓度:25 nM–1 µM;配体浓度:0–500 nM 4-HBA(LigR1)/750 nM(LigR2);孵育:25°C、30 min;凝胶:5%非变性PAGE;转印:380 mA、30 min;交联:300 nm UV、30 min

研究结果

3.1 lig1和lig2基因簇内的操纵子组织

lig1操纵子是本研究关注的焦点,因为它含有一个莽草酸脱氢酶(SDH)同源物,与编码参与能量感知和碳化合物利用的蛋白的基因组合在一起,以满足细胞的能量需求。有趣的是,这些过程与莽草酸途径在生物体中的角色无关。尽管这个SDH同源物RifI在15多年前已被鉴定,但其生物学功能尚未被最终确定(Peek et al., 2012; Singh et al., 2008)。对该SDH同源物的比较分析显示,它位于一个基因簇内,该簇编码两个FAD结合氧化还原酶、一个NIPSNAP能量传感器、一个MFS转运蛋白,以及一个反向转录的IclR型转录调控因子pp_2609(LigR1)(Mao et al., 2014)(图1)。值得注意的是,与其他SDH同源物相比,该基因簇缺乏相关的莽草酸途径酶。紧接下游是第二个操纵子,我们命名为lig2,包含另一个IclR型调控因子(pp_2601, LigR2)、一个假定的糖磷酸异构酶(pp_2603)和ligC——编码4-羧基-2-羟基-粘康酸-6-半醛脱氢酶,该酶此前被证明在Sphingomonas paucimobilis SYK-6中介导原儿茶酸通过4-5途径裂解(Masai et al., 2000)。基于两个操纵子编码蛋白的组合,我们提出它们共同作用于莽草酸衍生化合物的利用,以支持生物体的能量需求,尤其是在饥饿条件下。这与先前关于P. putida中葡萄糖和尿黑酸利用的发现一致——编码酶的基因按利用途径的不同部分模块化组织(Arias-Barrau et al., 2004; del Castillo et al., 2008)。因此我们提出两个操纵子之间存在交互作用,根据环境中碳化合物的可用性来优先排序其利用。

恶臭假单胞菌KT2440的lig1和lig2操纵子的基因组组织。植物根际图示,根际栖息着多样的微生物群落,包括恶臭假单胞菌KT2440(以绿色表示)。根际中的微生物竞争根系分泌物中的化合物,如糖类,或
▲ 恶臭假单胞菌KT2440的lig1和lig2操纵子的基因组组织。植物根际图示,根际栖息着多样的微生物群落,包括恶臭假单胞菌KT2440(以绿色表示)。根际中的微生物竞争根系分泌物中的化合物,如糖类,或

3.2 LigR1结合lig1启动子,而LigR2同时结合lig1和lig2启动子

为研究P. putida KT2440中lig1和lig2操纵子的作用,我们使用电泳迁移率变动实验(EMSAs)检测各转录调控因子如何与其基因间区域结合。对于lig1操纵子,使用覆盖+23 bp(相对ligR1翻译起始位点)至+72 bp(rifI基因内)的生物素标记探针进行EMSA研究(图2Ai)。将生物素化探针与递增浓度的LigR1(0–0.96 µM)孵育。设置仅含生物素化探针(无蛋白)的对照以代表未结合DNA(泳道1)。在0.12 µM LigR1时,出现两条明显的位移条带(S1和S2),表明蛋白-DNA复合物形成(泳道4)。在更高蛋白浓度(>0.12 µM)下,较快迁移率条带(S1)的强度降低,而在0.24 µM LigR1时出现第三条较慢迁移条带(S3)(泳道5)。S3条带强度在最高蛋白浓度(0.96 µM,泳道7)下进一步增加。同时,S2条带强度随LigR1浓度增加而增加(泳道4–7)。结合DNA的比例被定量并相对于LigR1浓度作图(公式1,材料与方法)(图2Aii)。在0.96 µM LigR1时,结合DNA分数达到0.95,LigR1与探针结合的KD值为0.22 µM。

对于lig2操纵子,我们设计了类似的生物素标记探针,覆盖+48 bp(相对ligR2翻译起始位点)至+18 bp(ligC基因内)。将生物素化探针与递增浓度的LigR2(0–1 µM)孵育,无蛋白对照(泳道1)代表未结合DNA(图2Bi)。在低至0.025 µM的LigR2浓度下即可观察到蛋白-DNA复合物形成,同样产生两条明显的位移条带(S1和S2,泳道2)。这些条带的强度随LigR2浓度增加至0.125 µM而增强。在0.25 µM LigR2时,大多数复合物以S2条带迁移,同时出现第三种位移物种(S3)。S3条带强度逐渐上升,在1 µM LigR2时达到最大(图2Bi)。结合DNA的定量分析显示,在最高LigR2浓度(1 µM)下饱和结合分数为0.97,解离常数KD为0.15 µM(图2Bii)。

我们检测了LigR1是否能使用类似的EMSA实验结合生物素化的lig2基因间区域。递增的LigR1浓度(0–1 µM)未引起lig2 DNA探针的迁移率变化,表明不结合(图S1Ai-ii)。相反,将LigR2与生物素化的lig1探针孵育产生单一位移条带,在无蛋白对照中不存在(泳道1)(图2Ci)。该位移在低至0.05 µM的LigR2浓度下即可检测到,并在0.5 µM时达到最大强度。定量分析显示,结合的lig1分数在0.65 µM时饱和,在最低观测浓度下仍有残留未结合DNA(泳道6–8)(图2Cii)。解离常数KD为21.65 µM。作为额外对照,使用递增浓度的未标记探针进行竞争实验,以确认LigR1和LigR2与其各自启动子区域相互作用的特异性(图S1B-E)。综合这些发现表明,虽然LigR1和LigR2都结合各自的同源基因间区域,但只有LigR2表现出对lig1基因间区域的交叉结合。

EMSA analyses of LigR1 and LigR2 binding to the lig1 and lig2 intergenic regions. Ai) Schematic of the 251 bp biotinylated lig1 DNA probe, encompassing the intergenic region between ligR1 (+23 bp relative to the translation start site) and rifI (+72 bp). A biotin label was added to the 5’ end for de
▲ EMSA analyses of LigR1 and LigR2 binding to the lig1 and lig2 intergenic regions. Ai) Schematic of the 251 bp biotinylated lig1 DNA probe, encompassing the intergenic region between ligR1 (+23 bp relative to the translation start site) and rifI (+72 bp). A biotin label was added to the 5’ end for de

【数据】LigR1结合lig1探针:KD=0.22 µM,饱和结合分数0.95(0.96 µM蛋白);LigR2结合lig2探针:KD=0.15 µM,饱和结合分数0.97(1 µM蛋白);LigR2结合lig1探针:KD=21.65 µM,饱和于0.65 µM;LigR1不结合lig2探针;LigR1浓度范围:0–0.96 µM;LigR2浓度范围:0–1 µM

3.3 LigR1和LigR2的DNA结合发生在特异性识别的TAAT基序

对1340个IclR家族转录因子的DNA结合特征进行系统分析,根据其识别基序将其分为两组:A/T丰富回文序列(第1组)和共有序列GTNCG-N5–6-CGNAC基序(第2组)(Suvorova and Gelfand, 2021)。我们的分析在lig1启动子中鉴定出两个推定操纵基因区域(R1: ATCATGACTGCGATTATCGCA,R2: ACCAGCCGATTACTGCGAT),与第2组架构密切匹配(图S2Ai)。为功能验证这些位点,我们通过将保守的ATTA序列转换为GCTG生成了靶向突变——R1中的R1M、R2中的R2M,以及lig1启动子区域中的双突变体(R1R2M)(图S2Ai)。EMSA显示,LigR1转录因子与野生型lig1基因间区域形成完全复合物(S2/S3)(泳道2),而所有突变探针均显示LigR1的部分结合中断,表现为S3条带丢失。这种结合中断在R1R2M双突变中最为显著(泳道4,6,8)(图S2Aii)。DNA结合分数的定量显示,R1M和R2M探针的结合分别减少约50%和37%(图S2Aii)。更显著的是,R1R2突变探针的LigR1结合亲和力降低约70%。这些结果表明lig1启动子区域中的R1和R2两个ATTA位点共同促进LigR1的高亲和力结合。

接下来我们检测了lig1基因间突变如何影响LigR2结合。lig2基因间区域与lig1 R1M、R2M和R1R2M突变体的序列比对显示,R1位置的ATTA基序保守(图S2Bi, C),而R2位点含有不同的CTTC序列。

【数据】R1M突变导致LigR1结合减少约50%;R2M突变导致LigR1结合减少约37%;R1R2M双突变导致LigR1结合减少约70%;突变方式:ATTA→GCTG

Overview of the LigR1 (PDB ID: 9E6A) crystal structure and LigR2 AlphaFold model. A) Dimerization interface between LigR1 protomers at their DBDs. Chain A (yellow) and Chain C (green) DBDs interact at the ɑ2, ɑ4, ɑ5 helices of the DNA binding domain (DBD) helix-turn-helix (HTH) motif. Additional con
▲ Overview of the LigR1 (PDB ID: 9E6A) crystal structure and LigR2 AlphaFold model. A) Dimerization interface between LigR1 protomers at their DBDs. Chain A (yellow) and Chain C (green) DBDs interact at the ɑ2, ɑ4, ɑ5 helices of the DNA binding domain (DBD) helix-turn-helix (HTH) motif. Additional con
LigR1和LigR2与已表征的IclR型转录因子的系统发育分析和序列比对。A) 使用NCBI BLAST序列数据库查询LigR1、LigR2、CatR、IclR、PcaR、PobR和HmgR的基因同源物。使用Clustal Omega对序列进行比对,并进行系统发育分析。
▲ LigR1和LigR2与已表征的IclR型转录因子的系统发育分析和序列比对。A) 使用NCBI BLAST序列数据库查询LigR1、LigR2、CatR、IclR、PcaR、PobR和HmgR的基因同源物。使用Clustal Omega对序列进行比对,并进行系统发育分析。

3.4 LigR1和LigR2的基因表达分析

使用β-半乳糖苷酶报告基因实验分析LigR1和LigR2的基因表达调控。将251 bp的lig1基因间区域置于lacZ报告基因上游,分析lig1操纵子的基因表达(图5A)。将247 bp的lig2基因间区域置于lacZ报告基因上游,分析lig2操纵子的基因表达(图5B)。

使用β-半乳糖苷酶报告基因检测分析LigR1和LigR2的基因表达。A) 利用lacZ报告基因上游251 bp的lig1基因间区分析lig1操纵子的基因表达。B) 利用247 bp的lig2基因间区上游分析lig2操纵子的基因表达。
▲ 使用β-半乳糖苷酶报告基因检测分析LigR1和LigR2的基因表达。A) 利用lacZ报告基因上游251 bp的lig1基因间区分析lig1操纵子的基因表达。B) 利用247 bp的lig2基因间区上游分析lig2操纵子的基因表达。

【数据】lig1基因间区域:251 bp;lig2基因间区域:247 bp;报告基因:lacZ

3.5 使用差示扫描荧光法(DSF)和EMSA研究配体与LigR1和LigR2的结合

使用差示扫描荧光法(DSF)检测配体与LigR1和LigR2的结合。饱和曲线显示LigR1响应递增浓度(0–5 mM)的t-肉桂酸或4-羟基苯甲酸的热位移(ΔTm,°C),每个点代表平均值(图6A)。对于LigR2,在pH 7.5条件下测试奎尼酸、原儿茶酸、4-羟基苯甲酸和t-肉桂酸(浓度为0.25 mM)的热位移效应。

Investigating ligand binding to LigR1 and LigR2 using differential scanning fluorimetry (DSF) and EMSA analyses. A) Saturation curve showing the thermal shift (ΔTm in °C) of LigR1 in response to increasing concentrations (0–5 mM) of t-cinnamic acid or 4-HBA, with each point representing the average
▲ Investigating ligand binding to LigR1 and LigR2 using differential scanning fluorimetry (DSF) and EMSA analyses. A) Saturation curve showing the thermal shift (ΔTm in °C) of LigR1 in response to increasing concentrations (0–5 mM) of t-cinnamic acid or 4-HBA, with each point representing the average

【数据】LigR1配体浓度梯度:0–5 mM;LigR2配体浓度:0.25 mM;检测方法:DSF(ΔTm)/EMSA

3.6 LigR1和LigR2调控下P. putida KT2440的生长分析

在补充25 mM葡萄糖的M9基本培养基中监测WT(黑色)、WT + IPTG(紫色)、Δoxred2(棕色)、ΔligR1(绿色)、ΔligR1:LigR1互补(橙色)和ΔligR1:LigR1 + 0.4 mM IPTG(红色)菌株的生长曲线(图7A)。

P. putida KT2440在LigR1和LigR2调控下的生长分析。A)在添加25 mM葡萄糖的M9基本培养基中,监测WT(黑色)、WT + IPTG(紫色)、Δoxred2(棕色)、ΔligR1(绿色)、ΔligR1:LigR1互补株(橙色)和ΔligR1:LigR1 + 0.4 mM IPTG(红色)菌株的生长曲线。
▲ P. putida KT2440在LigR1和LigR2调控下的生长分析。A)在添加25 mM葡萄糖的M9基本培养基中,监测WT(黑色)、WT + IPTG(紫色)、Δoxred2(棕色)、ΔligR1(绿色)、ΔligR1:LigR1互补株(橙色)和ΔligR1:LigR1 + 0.4 mM IPTG(红色)菌株的生长曲线。

【数据】培养基:M9基本培养基 + 25 mM葡萄糖;IPTG浓度:0.4 mM;监测菌株:WT、WT+IPTG、Δoxred2、ΔligR1、ΔligR1:LigR1、ΔligR1:LigR1+IPTG

3.7 使用明场共聚焦显微镜对P. putida KT2440进行表型分析

WT、ΔligR1、ΔligR1:LigR1和Δoxred2细胞在含玻璃盖玻片的无菌培养皿中于30°C LB培养基中静置培养24小时。玻璃盖玻片用1%结晶紫染色并使用明场共聚焦显微镜成像(图8Ai)。

Phenotypic analysis of P. putida KT2440 using brightfield confocal microscopy. Ai) WT, ΔligR1, ΔligR1:LigR1, and Δoxred2 cells were grown in LB statically for 24hrs in sterile petri dishes at 30°C containing glass coverslips. The glass coverslips were stained with 1 % crystal violet and imaged using
▲ Phenotypic analysis of P. putida KT2440 using brightfield confocal microscopy. Ai) WT, ΔligR1, ΔligR1:LigR1, and Δoxred2 cells were grown in LB statically for 24hrs in sterile petri dishes at 30°C containing glass coverslips. The glass coverslips were stained with 1 % crystal violet and imaged using

【数据】培养基:LB;培养时间:24h;温度:30°C;染色:1%结晶紫;成像:明场共聚焦显微镜

3.8 LigR1和LigR2介导的P. putida KT2440调控模型

在低芳香族化合物和高葡萄糖条件下,LigR1和LigR2激活lig1操纵子的表达,以促进使用Lig1 MFS转运蛋白(灰色)输入葡萄糖和一些芳香族化合物。LigR2还结合lig2操纵子并抑制其表达(图9,左侧)。在特定代谢条件下——如莽草酸途径中间体积累时——P. putida优先将这些中间体作为能量来源。

Model of LigR1 and LigR2 mediated regulation in P. putida KT2440. Left) Under low aromatics and high glucose, LigR1 and LigR2 activate expression of the lig1 operon to facilitate import of glucose and some aromatics using the Lig1 MFS transporter (grey). LigR2 also binds to the lig2 operon and repre
▲ Model of LigR1 and LigR2 mediated regulation in P. putida KT2440. Left) Under low aromatics and high glucose, LigR1 and LigR2 activate expression of the lig1 operon to facilitate import of glucose and some aromatics using the Lig1 MFS transporter (grey). LigR2 also binds to the lig2 operon and repre
The interplay between glucose and aromatic compound regulati
▲ 论文配图

【数据】条件:低芳香族化合物/高葡萄糖;调控方式:LigR1和LigR2激活lig1、LigR2抑制lig2

讨论与解读

根际的化学复杂性对细菌持续优先排序代谢化合物构成了巨大挑战,直接影响其在环境中持续竞争优势的能力。虽然转录因子对于响应碳化合物可用性调节操纵子基因表达至关重要,但现有研究对代谢优先排序的洞察有限——它们主要集中于单一化合物或代谢途径。本研究鉴定出P. putida KT2440中两个相邻的lig1和lig2操纵子,通过IclR家族调控因子LigR1和LigR2的协调调控,发挥双功能作用,实现葡萄糖、莽草酸途径中间体和芳香族化合物的选择性输入和利用。lig1和lig2操纵子基因表达对不同营养可用性的响应调控与LigR1和LigR2两种转录调控因子相互关联。这与以下事实一致:lig1操纵子蛋白产生的某些下游化合物随后被lig2操纵子的蛋白利用。基因表达和微生物生长分析数据支持这一结论——LigR1是lig1操纵子表达所必需的,因为LigR1缺失会削弱该操纵子的表达。

编译者解读

这项研究跳出传统莽草酸途径"合成芳香族氨基酸前体"的框架,揭示了该途径中间体在特定条件下可作为能量来源的全新功能。双操纵子协同调控的设计——一个负责双底物输入、一个负责芳香族分解供能——体现了土壤微生物在复杂碳源环境中的巧妙代谢策略。从合成生物学应用角度看,LigR1/LigR2及其靶启动子可开发为响应莽草酸途径中间体或芳香族化合物的生物传感器模块;lig1的MFS转运蛋白对葡萄糖和芳香族化合物的双特异性输入机制,对构建高效共利用混合碳源的工业菌株具有直接参考价值。结构解析(PDB: 9E6A)为理性改造调控因子配体特异性提供了结构基础。局限在于:莽草酸途径中间体积累触发能量利用转变的分子信号细节尚未完全阐明,体内代谢通量验证仍有空间。

参考来源

Kadriu E. The interplay between glucose and aromatic compound regulation by two IclR-type transcription factors, LigR1 and LigR2, in Pseudomonas putida KT2440. Microbiological Research, 2026. DOI: 10.1016/j.micres.2025.128382

DOI: 10.1016/j.micres.2025.128382

延伸阅读:更多代谢通路设计、多基因组装等合成生物学工具,可访问 DNA Lab Space

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