益生菌大肠杆菌Nissle 1917中塔格糖代谢基因簇的调控机制及诱导表达系统的开发

本研究针对益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）缺乏可靠诱导表达系统的问题，通过解析塔格糖（D-tagatose）代谢基因簇的调控机制，开发了一种基于天然低热量糖的诱导表达系统。研究人员鉴定了DeoR家族调控因子TagR的抑制作用，构建了塔格糖剂量依赖性表达载体，实现了重组蛋白在好氧/厌氧条件下的高效表达。该系统为EcN在合成生物学和活体治疗中的应用提供了新工具。

　　

在微生物治疗领域，益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）因其卓越的肠道定植能力和安全性备受关注。然而，现有基因表达调控工具存在明显局限：化学诱导剂IPTG具有潜在毒性，光诱导系统受限于组织穿透能力，而天然糖类诱导剂又易受人体代谢干扰。如何开发一种安全、精准、临床适用的诱导系统，成为推动EcN工程化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自韩国的研究团队将目光投向了一种特殊糖分子——D-塔格糖（D-tagatose）。这种FDA认证的低热量甜味剂具有三大优势：人类代谢利用率低、肠道吸收少、且天然存在于乳制品中。前期研究发现EcN具有独特的8.5 kb塔格糖代谢基因簇（tag cluster），但其调控机制尚未阐明。研究人员通过整合差异RNA测序（dRNA-seq）和计算生物学分析，首次揭示了tag cluster的双重调控开关：σ⁷⁰型启动子P_tag受DeoR家族转录抑制因子TagR的负调控，同时其上游的cAMP受体蛋白（CRP）结合位点介导碳分解代谢抑制。

研究采用多组学技术联用策略：通过dRNA-seq精确定位转录起始位点（TSS），结合CRPBSFinder和TFbinding等算法预测调控元件，构建pCop系列质粒验证TagR的抑制作用。关键实验显示，仅含调控区Rint的pCop-Rint-mCherry载体在20 mM塔格糖诱导下荧光强度提升10倍，且群体表达均一性优异。更巧妙的是，利用葡萄糖-塔格糖混合培养基实现了"先生长后表达"的自动诱导策略——葡萄糖耗尽后CRP介导的抑制解除，使重组蛋白产量与塔格糖浓度呈强正相关（r=0.93-0.95）。

关键研究发现包括：

1. 调控元件鉴定：在tagR-tagY间隔区发现双向启动子P_tag和P_reg，其-10/-35区符合σ⁷⁰识别特征。TagR通过结合两个操纵序列（tagO₁/tagO₂）抑制tag cluster表达，该抑制作用可被塔格糖解除。

2. 表达系统优化：过量表达TagR会导致生长抑制，而Rint单独调控时，mCherry表达呈现典型剂量效应。流式细胞术证实该系统诱导均匀性优于传统化学诱导系统。

3. 应用验证：在好氧条件下，MBP-hEGF（人表皮生长因子融合蛋白）和PETase（聚酯降解酶）产量均与塔格糖浓度线性相关；厌氧培养时，20 mM塔格糖仍可有效诱导目标蛋白表达。

这项发表于《Microbial Cell Factories》的研究具有三重意义：首先，塔格糖作为GRAS认证（公认安全）诱导剂，为活体药物治疗提供了临床转化可能性；其次，自动诱导策略解决了生物生产过程中生长与表达的平衡难题；最后，该系统的厌氧兼容性使其特别适合肠道微环境应用。值得注意的是，由于tag cluster仅存在于EcN等B2系统发育群菌株中，未来需通过基因簇移植扩展该系统的宿主范围。这些发现为EcN在精准医疗（如炎症性肠病治疗）和环保生物制造（如塑料降解）中的应用开辟了新途径。