结核分枝杆菌全局转录调控因子PhoP的结构解析揭示其双功能转录调控的分子机制

本研究针对结核分枝杆菌(Mtb)中OmpR/PhoB家族调控因子PhoP的转录调控机制不明的问题，通过冷冻电镜技术解析了PhoP依赖的转录激活复合体(PhoP-TAC)和转录抑制复合体(PhoP-TRC)的三维结构。研究发现PhoP通过形成串联二聚体、四聚体和六聚体特异性识别不同PHO启动子盒，取代RNA聚合酶(RNAP) σAR4与-35元件的经典相互作用，揭示了PhoP作为IV型转录激活剂的独特机制；同时发现PhoP通过"竞争性遮蔽模型"抑制GlnR依赖的转录激活，为理解细菌环境适应和致病性调控提供了重要结构基础。

　　

结核分枝杆菌(Mtb)作为结核病的病原体，其环境适应和致病性调控机制一直是微生物学研究的热点。在众多调控因子中，OmpR/PhoB家族响应调节蛋白PhoP作为全局转录调控枢纽，能激活或抑制100多个靶基因的表达，参与细菌毒力、脂质合成、碳代谢和低pH应激等关键生理过程。然而，PhoP如何在不同启动子上实现双功能调控的分子机制长期困扰着研究人员，这一科学问题的解答对于理解细菌环境适应机制和开发新型抗结核策略具有重要意义。

南京中医药大学医学院的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。该研究综合运用冷冻电镜单颗粒分析技术、体外转录活性测定和位点定向突变等方法，成功解析了PhoP依赖的转录激活复合体(2PhoP-TAC/4PhoP-TAC/6PhoP-TAC)和转录抑制复合体(PhoP-TRC)的三维结构，平均分辨率达到3.3-3.7?。研究特别关注了PhoP与RNA聚合酶核心酶(α₂ββ'ωσ^A)的相互作用模式，以及PhoP与同源调控因子GlnR在氮代谢启动子上的竞争机制。

整体结构揭示PhoP的多元调控模式

通过比较不同PhoP-TACs与Mtb RPo结构发现，PhoP通过形成串联二聚体至六聚体识别不同PHO启动子盒。在6PhoP-TAC中，三个PhoP二聚体协同结合a1-b1、a2-b2和a3-b3位点，其DNA结合域(DBD)的α7螺旋插入DNA大沟，显著提升DNA双链构象，取代了σ^AR4与-35元件的经典相互作用。这种独特的空间排布使PhoP成为IV型转录激活剂，通过蛋白-DNA和蛋白-蛋白多重相互作用招募RNAP。

关键界面决定转录激活效率

结构分析显示PhoP_DBD与RNAP β瓣膜(β flap)通过α6螺旋形成极性/疏水相互作用，同时PhoP_DBD的C端环与σ^AR4长环产生静电作用。定点突变实验证实，参与这些界面的关键残基(T191、K197、F207等)的突变会显著降低转录活性，特别是REC结构域截短(DBD)几乎完全丧失功能，说明PhoP_REC在稳定转录复合体中起关键作用。

竞争性遮蔽模型解释转录抑制

在PhoP-TRC结构中，一个PhoP二聚体竞争性结合上游a3'-b3'位点，通过与相邻GlnR_REC的相互作用(界面面积达168?²)显著扭曲DNA构象，空间阻碍第三个GlnR二聚体的结合。这种独特的"竞争性遮蔽模型"解释了PhoP如何抑制GlnR依赖的amtB启动子激活，维持细菌对磷酸盐和氮源的代谢平衡。

该研究首次在原子水平揭示了PhoP双功能调控的结构基础，不仅完善了对OmpR/PhoB家族转录调控机制的认识，还为针对PhoP开发新型抗结核药物提供了精确的分子靶点。特别值得注意的是，研究证实毒力相关突变S219L通过破坏PhoP_DBD与DNA模板链的特异互作导致功能缺陷，这为理解临床菌株毒力差异提供了结构解释。这些发现对理解细菌环境适应和致病性调控具有广泛意义，也为研究其他重要病原体的类似调控系统提供了范式。