木聚糖酶XynB在Ruminiclostridium cellulolyticum中的双组分系统协同调控机制及其在生物燃料生产中的应用潜力

这篇研究揭示了厌氧纤维素降解菌Ruminiclostridium cellulolyticum中游离木聚糖酶XynB（GH11家族）的独特调控机制。通过双组分系统（TCS）XuaDRS（木聚糖感应）和CuaDRS（纤维二糖感应）的协同作用，实现了对xynB基因的诱导-抑制双向调控，为理解细菌半纤维素降解的碳源偏好性（如纤维二糖介导的碳分解代谢抑制CCR）提供了新视角，并为生物燃料生产的菌株改造提供了靶点。

　　

GH11家族木聚糖酶XynB的基因特征与功能验证
在Ruminiclostridium cellulolyticum H10基因组中，xynB（CCEL_RS09445）编码的GH11家族木聚糖酶缺乏dockerin结构域，表明其作为游离酶发挥作用。系统发育分析显示XynB与芽孢杆菌属同源，暗示水平基因转移起源。通过异源表达纯化的XynB证实其特异性降解木聚糖，突变株H10ΔxynB在木聚糖培养基中生长显著受限，证实其关键生理功能。

碳源依赖性转录调控的双向模式
转录组和qRT-PCR数据显示xynB在木聚糖和葡萄糖条件下高表达，但被纤维二糖强烈抑制（仅为木聚糖条件下的0.7%）。启动子报告系统（GusA/FbFP）证实962 bp上游区域包含双转录起始位点（TSS），其中短转录本（-133 bp）受300-500 bp区域调控，长转录本依赖500-800 bp区域。

双组分系统的协同调控网络

1. 木聚糖感应通路：远端TCS XuaDRS（CCEL_RS05700-05710）通过激活xuaABC转运体操纵子间接促进xynB表达。突变株H10ΔxuaD丧失木聚糖利用能力，且xynB转录水平降至野生型的6.6%。
2. 纤维二糖抑制通路：TCS CuaDRS（CCEL_RS09435-09430）感知纤维二糖后激活未知阻遏物，使xynB在纤维二糖存在时完全沉默。值得注意的是，H10ΔcuaD突变株在纤维二糖培养基中仍能激活xynB表达（达木聚糖诱导水平的50%），且木聚糖条件下表达量提升至野生型的200%。

生态适应性与应用启示
该菌通过TCS层级调控实现"纤维素优先"代谢策略：纤维二糖（纤维素降解产物）通过CuaDRS抑制木聚糖分解基因，而木聚糖感应系统XuaDRS在纤维素匮乏时启动半纤维素降解。这种非典型碳分解代谢抑制（CCR）机制规避了经典CcpA系统，与ABC转运体主导的糖摄取方式相适应。研究为优化木质纤维素生物转化工艺提供了新靶点，例如通过改造XuaDRS-CuaDRS调控回路增强协同降解效率。

方法学亮点
研究整合了ClosTron靶向突变、差异RNA-seq（dRNA-seq）、5'-RACE及双报告系统（GusA/氧不依赖荧光蛋白FbFP），首次在梭菌中解析了TCS介导的多碳源交叉调控网络。启动子截断实验揭示的模块化调控区域（300-800 bp）为合成生物学元件设计提供了精确坐标。