7月18日，《美國科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所張鵬研究組和姜衛紅研究組合作完成的研究論文，題為Molecular mechanism of environmental d-xylose perception by a XylFII-LytS complex in bacteria。該研究通過解析梭菌質膜上負責感應木糖信號的雙組分調控復合體XylFII-LytS的晶體結構，結合生理生化與遺傳學分析，揭示了細菌感受重要五碳糖—木糖并調控其吸收利用的分子機制。
木糖是秸稈等木質纖維原料中除葡萄糖外最主要的糖組分，是自然界中儲量最豐富的五碳糖。如何使之為微生物高效利用并合成有用的化學品，是人們一直關注的問題。產溶劑梭菌是一類重要的工業微生物，它可以通過發酵產生丁醇、乙醇和丙酮等大宗化學品及生物燃料。盡管該菌可以利用一定量的木糖，但效率低下。在之前的研究中，姜衛紅研究組發現在梭菌細胞內膜上存在一類保守的雙組分蛋白復合體XylFII-LytS，用于感受環境中的木糖并調控其利用。這是木糖代謝過程中的一個重要環節，但其分子機制卻知之甚少。
該項工作中，在研究員張鵬和姜衛紅的指導下，李建戌等解析了拜氏梭菌中的木糖信號感應復合體XylFII-LytS周質空間結構域（XylFII-LytSN）在結合與不結合木糖狀態下的三維結構。通過對這些結構的比較與分析發現，木糖分子可以特異性地結合在XylFII蛋白上，并誘導其N端和C端結構域由開啟狀態轉變為閉合狀態。這種構象改變進而誘導兩個XylFII-LytSN二聚體形成異源四聚體，成為有利于信號傳導的分子構架。因此推斷，結合兩分子木糖的XylFII-LytS異源四聚體是其活性形式，木糖信號經由這一四聚體中的兩分子組氨酸激酶LytS傳導到膜內，通過激活應答調控蛋白啟動木糖ABC轉運蛋白XylFGH的表達來改善木糖的利用。進一步，研究團隊利用生理生化及遺傳學方法，通過定點突變目的蛋白的關鍵氨基酸殘基，并結合梭菌體內實驗和表型分析，證實了上述推斷。該研究揭示了細菌木糖信號感受及調控的內在分子機制，為這一重要五碳糖的利用和工業菌株的分子改造提供了新的思路和依據。
該研究得到了基金委和中科院的經費支持。實驗數據收集工作得到了上海光源17U線站和國家蛋白質中心（上海）設施19U1/U2線站的支持與幫助。
圖：細胞膜上的雙組分復合體XylFII-LytS結合木糖后發生構像變化，由異源二聚體轉變為具有生理活性的異源四聚體，激活下游信號，調控木糖ABC轉運蛋白復合體XylFGH的表達，向細胞內轉運木