噬菌体转录因子gp79通过置换宿主σ因子并稳定自身σ因子实现转录调控的双重机制

研究人员针对噬菌体phiEco32蛋白gp79如何同时抑制宿主σ70介导的转录并激活自身σ因子gp36的谜题，通过冷冻电镜解析了RNA聚合酶(RNAP)与gp79的复合物结构，以及包含gp79、gp36和启动子的转录开放复合物(RPo)结构。研究发现gp79的N端侵入RNA通道置换σ4结构域，而在gp36存在时其N端构象变化可稳定RPo。该研究揭示了噬菌体转录重编程的分子机制，为合成生物学应用提供了新思路。

　　

噬菌体作为地球上最丰富的自我复制实体，其转录调控机制一直是微生物学研究的热点。在细菌与噬菌体的进化军备竞赛中，噬菌体发展出精妙的策略劫持宿主转录机器。大肠杆菌噬菌体phiEco32编码的gp79表现出令人费解的双重功能：既能抑制宿主σ⁷⁰依赖的转录，又能激活噬菌体σ因子gp36介导的转录。这种"一石二鸟"的调控机制长期缺乏结构生物学解释。

浙江大学医学院附属邵逸夫医院传染病研究所、生物物理系的研究人员通过冷冻电镜技术破解了这一谜题。研究团队首先通过荧光转录实验证实gp79对rrnB P1启动子的抑制效率达90%以上，同时对噬菌体P₂₆和P₆₈启动子的激活效果达3-4倍。尿素-PAGE分析显示转录产物长度与预期一致，验证了实验系统的可靠性。

研究采用的关键技术包括：冷冻电镜单颗粒重构技术解析复合物三维结构（分辨率达3.4?）；荧光标记的Mango III RNA适配体转录活性检测；电泳迁移率变动实验(EMSA)分析蛋白-DNA相互作用；通过AlphaFold预测蛋白结构辅助模型搭建。

<结果部分>
Gp79在转录调控中的双重角色
通过构建含Mango III荧光报告基因的模板，发现gp79几乎完全抑制σ⁷⁰依赖的rrnB P1启动子活性，同时显著增强gp36依赖的P₂₆和P₆₈启动子活性。尿素-PAGE结果与荧光数据高度吻合，排除了实验假象。

gp79依赖的RPo冷冻电镜结构

非互补设计的DNA模板成功捕获了转录泡结构。结构显示gp36的NTD（N端结构域）以独特角度结合RNAP钳子螺旋，CTD（C端结构域）则与FTH（flap tip helix）形成新型互作界面。gp79主体结合在钳子外侧，其N端α1螺旋锚定在gp36 CTD的疏水沟槽中。

gp36识别启动子的结构基础

gp36 NTD通过W90和Y83堆叠稳定转录泡，特异性残基（如N95、S91等）与-10区碱基形成氢键网络。CTD的α4螺旋插入DNA大沟，R187与-37G形成关键氢键。点突变实验证实这些相互作用对转录激活至关重要。

gp79的转录抑制机制

冷冻电镜显示gp79结合导致σ⁷⁰完全解离，其α1螺旋占据σ₄的原位结合空间。EMSA证实gp79既能阻止RPo形成，也能解离已形成的开放复合物。

gp79激活转录的结构基础
β'亚基N端螺旋（含F7）插入gp79疏水口袋，形成稳定互作。同时gp79 α1与gp36 CTD的疏水相互作用（涉及L6、M14等）对激活功能不可或缺，丙氨酸突变使激活效率降低50%以上。

这项研究首次在原子水平揭示了噬菌体"转录因子置换"的创新策略：gp79通过空间竞争抑制宿主σ因子，又通过构象重排转化为gp36的激活支架。这种双重调控机制实现了从宿主到噬菌体基因表达的快速切换，其原理为人工设计转录调控系统提供了新范式。研究结果发表在《Nucleic Acids Research》，不仅深化了对微生物共进化的认识，也为开发基于噬菌体的基因治疗工具奠定了理论基础。