革兰氏阳性菌全局转录调控因子ScoC通过DNA成环抑制基因表达的分子机制解析

本研究揭示了革兰氏阳性菌过渡期全局转录调控因子ScoC（属于MarR家族）通过四聚体组装结合远端DNA操纵子形成抑制环的独特机制。研究人员通过晶体结构解析（3.15-3.50 ?）、FRET（荧光共振能量转移）和原子力显微镜等技术，首次证实ScoC以X型四聚体构象识别AT-rich序列，通过winged HTH（wHTH）结构域与DNA小沟相互作用实现基因沉默。该发现为理解细菌过渡期代谢重编程提供了结构基础，并为抗菌靶点设计开辟新思路。

　　

在微生物世界的生存竞赛中，革兰氏阳性菌需要精确调控数百个基因来应对从指数生长期到稳定期的关键转变。这个被称为"过渡期"的代谢重编程过程，决定着细菌能否成功适应营养匮乏环境、启动孢子形成或产生降解酶。长期以来，科学家们对其中关键的全局调控因子ScoC（曾用名Hpr）充满好奇——这个属于多重抗生素耐药调节因子MarR家族的蛋白质，在模式菌株枯草芽孢杆菌中调控着超过500个基因，但其作用机制始终成谜。

以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）的研究团队在《Communications Biology》发表的研究，首次揭示了ScoC通过独特的四聚体组装诱导DNA成环来实现基因沉默的分子机制。研究人员综合运用X射线晶体学（3.15-3.50 ?分辨率）、荧光共振能量转移（FRET）、原子力显微镜（AFM）和凝胶迁移实验（EMSA）等技术，结合β-半乳糖苷酶报告系统，系统解析了Geobacillus蛋白iphilus菌株T-6中ScoC的调控网络。

关键技术方法
研究团队构建了oppA启动子区不同截短的lacZ融合报告系统，通过β-半乳糖苷酶活性测定验证双操纵子位点的必要性；采用SEC-SAXS（尺寸排阻色谱耦合小角X射线散射）确认ScoC在溶液中的四聚体状态；设计Cy3/Cy5双标记的248-bp DNA片段进行FRET分析；通过非变性凝胶电泳和AFM直接观测DNA成环现象；最终解析了ScoC自由状态及与23-bp回文DNA复合物的晶体结构。

主要研究结果

双操纵子位点是oppA抑制的必要条件
通过构建包含373-bp（双位点）、157-bp（单位点）和101-bp（无位点）的oppA-lacZ融合系统，发现仅保留完整双位点的构建体显示16倍抑制效果（图1B）。定点突变保守核苷酸（如ScoC I位点的ATGATTAG→ATGATTAG）显著削弱抑制能力，证实双位点协同作用。

ScoC诱导DNA成环的直接证据
FRET实验显示，当ScoC浓度≤10 nM时，两端带有Cy3/Cy5的248-bp DNA片段荧光强度激增，表明DNA末端被拉近形成环状结构（图2A）。超过此浓度后，两个ScoC四聚体分别占据DNA两端导致荧光减弱。凝胶迁移实验观察到316-bp DNA在低ScoC浓度下出现慢迁移的"环状"条带，高浓度时转为快迁移的"线性"条带（图2B）。AFM更直观捕捉到直径约40 nm的DNA环结构（图2C-D）。

ScoC四聚体的结构特征
晶体结构揭示ScoC形成X型四聚体（图3），每个单体含经典wHTH结构域（β1-α3-α4-β2-β3）。二聚化界面涉及α1/α5/α6螺旋的20个氢键，而四聚化通过Tyr139/Lys141/Glu144等残基的10个氢键实现（图3C）。SEC-SAXS证实该四聚体构象在溶液中稳定存在（图4）。

DNA识别机制
复合物结构显示，每个二聚体结合23-bp回文DNA（图5A）。wHTH的"翼"区（含保守Arg100）向小沟移动9.36 ?（图5B），通过识别A-tract序列（如AATATTATT）的窄小沟实现特异性结合。关键残基Asn79与T8(O4)、Ser75与A16(N6)形成氢键（图5C），突变这些位点显著降低FRET信号。

这项研究首次报道了MarR家族中具有四聚体结构和DNA成环功能的调控因子，突破了该家族蛋白均为二聚体的传统认知。其意义在于：1）从结构上阐释了革兰氏阳性菌过渡期全局调控的新范式；2）揭示了AT-rich序列通过形状间接识别的分子机制；3）为理解ScoC与CodY、TnrA等调控因子的互作提供框架。特别值得注意的是，208-bp的操纵子间距（恰好20个B-DNA螺旋周期）优化了成环效率，这种精确的空间排布可能普遍存在于细菌多操纵子系统中。该发现不仅为原核生物基因调控理论增添重要拼图，其揭示的"四聚体-双位点"作用模式也为设计干扰细菌群体感应的新型抑制剂提供了潜在靶标。