生物遭受外界環境刺激后，相關基因往往會發生表達水平的適應性變化，以維持正常的生命活動。然而，誘導表達并非只是簡單的“開-關”過程，其動力學特征和調控機制非常復雜。其中，脈沖式表達(surge)模式普遍存在于病原菌毒力因子表達、動物激素的產生和癌癥發展過程中腫瘤壞死因子的表達等重要生理生化過程中。針對脈沖式表達的過程及精細調控分子機制的研究還十分匱乏。
雙組分信號轉導系統是細菌細胞最重要的感應外界環境刺激的分子機制，曾被國內外研究者形象地比喻為細菌的“神經系統”。細菌細胞一般編碼數個到數百個雙組分信號轉導系統蛋白，其數量多少直接反映了不同細菌“智商(IQ)”的高低 (Galperin, 2005. BMC Microbiology)。該信號系統由組氨酸激酶和反應調節蛋白兩部分組成，通過蛋白質磷酸化修飾完成信號的跨膜傳遞。
野油菜黃單胞菌(Xanthomonas campestris pv. campestris)基因組一共編碼106個雙組分信號系統蛋白，是一種“IQ”非常高的植物病原細菌。在對該細菌的雙組分信號系統進行比較與功能基因組分析的基礎上，中科院微生物研究所的研究人員鑒定到一個結構獨特的組氨酸激酶SreS。SreS除了具有組氨酸激酶的保守蛋白結構外，還編碼2個類似反應調節蛋白的結構，是一種雜合性質的組氨酸激酶。有意思的是，在細菌受到高鹽脅迫的過程中，SreS并不發揮激酶的功能去直接磷酸化另外一個反應調節蛋白SreR，而是作為 SreR的競爭者(phosphate sink)，利用其復雜結構中的一個反應調節蛋白部件(REC1)從SreR的伙伴激酶SreK處將磷酸基因競爭過來，導致SreK-SreR雙組分信號轉導系統的蛋白質磷酸化過程受阻，造成SreR的脫磷酸化。SreS, SreK, SreR和參與葉酸代謝的蛋白HPPK由同一個操縱子編碼，受到2個啟動子元件的協同控制。SreR脫磷酸化后會激活其中的一個啟動子，使基因的表達水平在脅迫誘導基礎上發生一次“躍遷”，從而表現出脈沖式的表達模式。研究者同時還證明，如果這一脈沖式的表達受到干擾，細菌抵抗脅迫的能力嚴重下降。因此，上述調控過程是細菌細胞應對外界環境刺激的重要分子機制之一。由SreS、SreK和SreR構成的“三組分信號轉導系統”比“雙組分信號轉導系統”更加復雜，有利于細菌通過更多的途徑與方式對自身生理活動進行精細調節。
雙組分信號轉導系統的結構、調控功能與進化是微生物所錢韋課題組的主攻研究方向之一。本研究主要由該組2010級博士研究生王芳芳完成，曾獲得國家自然科學基金等項目的資助，目前已在線發表于微生物學領域國際期刊Environmental Microbiology。
微生物所解析細菌“智商”復雜性研究取得新進展
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