综述：细菌木质素生成的转录调控机制（基于调控因子-配体相互作用模式），以及用于化学产品生产的工程策略

《Biotechnology Advances》：Transcriptional control of bacterial lignin funneling through regulator-ligand grammars and engineering strategies for chemical production

　　摘要
木质素是最大的可再生芳香碳库，但其微生物转化受到木质素来源原料化学异质性和成分变化的限制。尽管已经表征了许多芳香物质分解途径和转录因子，但其调控作用通常按照蛋白质家族或单个途径来讨论，这掩盖了在混合底物条件下这些途径被激活的原理。在这里，我们提出了一个基于四个轴的细菌木质素转化机制框架：生理效应物身份、途径采样位置、调控证据的强度以及宿主碳环境。我们区分了能够感知细胞外芳香物质的调控因子与那些响应辅酶A激活的中间体、下游代谢物或未识别信号的调控因子，并研究了这些感知位置如何影响诱导时机、基础表达、底物区分能力和代谢方向。对MarR、LysR、IclR和σ54依赖系统的比较分析表明，转录输出是由运输协调、细胞内效应物形成、启动子结构及占据情况、下游接受能力以及全局碳控制网络共同决定的。为了区分已建立的机制和间接关联，我们评估了配体结合、调控因子-DNA相互作用、启动子占据、转录响应、遗传必要性、途径流量后果以及宿主适应性等方面的证据。这一综合框架将芳香物质响应调控因子视为集成信号到流量模块的组成部分，并提供了选择感知位置、匹配运输与分解和产物生成能力、最小化交叉诱导和表达负担以及将调控回路转移到工程宿主中的可测试原则。

引言
木质素是最丰富的可再生芳香生物聚合物，也是植物细胞壁的主要结构成分，它提供了机械强度、疏水性和抗生物降解性（Fernández-Rodríguez等人，2017；Vasile和Baican，2023）。木质素通过三种主要单木质醇——对香豆醇、松脂醇和sinapyl醇的氧化聚合形成，这些单木质醇生成p-羟基苯基、愈创木酚基和紫丁香酚基单元，它们通过化学多样性的醚键和碳-碳键连接在一起（Zhu等人，2020）。因此，木质素分解不会产生单一的易吸收底物，而是一种由芳香单体、寡聚体和部分氧化中间体组成的异质且动态变化的混合物。对于细菌转化而言，这种化学复杂性既带来了调控挑战也带来了催化挑战。有效的转化需要芳香物质感知与底物运输、途径激活、辅酶A依赖的转化、O-去甲基化、环裂解以及碳向中心代谢或目标产品的分配协调（Ralph等人，2019；Sethupathy等人，2022）。理解这些调控机制对于构建能够将木质素衍生的芳香物质转化为增值产品的微生物平台至关重要。因此，转录调控不仅决定了个别分解基因是否表达，还决定了不同途径模块何时被激活以及多种木质素衍生的芳香物质如何高效地汇集到共同的代谢节点。要解决这些调控原理问题，对于设计能够将异质木质素来源原料转化为增值化学品的细菌平台至关重要。

芳香物质分解途径的存在本身并不能保证有效利用木质素来源的底物。细菌必须解读多种芳香信号，优先选择不同的进入途径，并在转化过程中底物可用性变化时持续重新分配代谢能力。因此，有效的混合芳香物质吸收依赖于运输和上游分解功能的及时诱导、向中心汇集中间体的协调进展以及足够的下游处理能力，以防止有毒或抑制性代谢物的积累（Questell-Santiago等人，2020；Wada等人，2021；Zhang等人，2021）。这些反应由特定的途径转录因子和更广泛的碳控制系统共同控制，后者决定了底物偏好、翻译投资以及碳在竞争代谢分支间的分配（Rodríguez-Castro等人，2025）。因此，尽管具有相似芳香物质分解基因组成的菌株在底物范围、利用顺序、诱导动力学、中间体耐受性和产物生成能力上可能存在显著差异（Diao等人，2022；Shrestha等人，2023）。调控架构是决定木质素衍生的芳香物质是否被有效转化、暂时积累还是被其他碳源取代的关键因素。图1通过将木质纤维素分解和芳香物质组成与底物运输、转录途径控制、中心汇集节点以及代表性增值产品的形成联系起来，总结了这一系统层面的观点。代表性的木质素转化细菌展示了不同的芳香物质分解协调策略。Sphingobium lignivorans SYK-6是研究最深入的木质素衍生芳香物质利用专家之一，含有多个与ferulate、vanillate、syringate、protocatechuate和木质素衍生芳香二聚体转化相关的调控模块（Araki等人，2019；Araki等人，2020；Kamimura等人，2010；Mori等人，2018）。相比之下，Pseudomonas putida KT2440则作为一个代谢多样的芳香物质转化平台，其中特定途径的调控因子在更广泛的生理控制层中起作用，包括Crc/Hfq系统，该系统负责碳分解产物的抑制和底物优先级（Xu等人，2018；Zong等人，2022）。其处理结构多样木质素衍生物的能力进一步表明，广泛的底物利用依赖于局部芳香物质响应回路与全局碳控制机制的整合，而不仅仅是单个分解途径的存在（Lu等人，2023；Notonier等人，2021；Shrestha等人，2023）。这些研究表明，细菌的木质素转化受到不同但相互联系的调控架构的调控。然而，支持个别调控因子-效应物关系的机制证据在不同的细菌宿主间仍不完整且不平衡。为了进行机制比较，按调控架构而非仅分类学对它们进行分组更为有用：鞘杆菌类展示了底物关联的运输和局部芳香物质调控；假单胞菌类结合了广泛的周边芳香物质代谢与强大的全局碳优先级；放线菌类木质素转化器则在不同的营养控制背景下运作。这些分组并非绝对，但为比较吸收、局部转录控制和宿主范围内的碳调控如何影响对木质素来源底物的适应提供了实用基础（Fujita等人，2021；Shrestha等人，2023）。

最近的综述探讨了微生物转化木质素衍生物的途径和酶系统（Gao等人，2025a；Li等人，2022）、多尺度代谢工程用于生物木质素转化（Liu等人，2025b）、生物传感器辅助的木质纤维素生物转化控制（Gan等人，2025），以及代谢调控、转录因子工程和动态生物传感器的系统级整合（Zhang等人，2026）。这篇综述没有提供另一份分解途径或工程工具的详细目录，而是重点关注芳香信号、途径进展和转录输出之间的未解决机制关系。在少数调控系统中，通过互补的生化、结构和遗传证据，已经确定了生理效应物身份、调控因子-DNA相互作用、启动子占据和转录响应。在许多其他系统中，调控功能仍从基因组组织、组学相关性、突变表型或整个细胞转化性能的变化中推断（Kuatsjah等人，2022；Salvachúa等人，2020）。这种不一致的证据基础使得直接转录控制和间接生理效应之间的区分变得复杂。此外，运输、细胞内效应物形成、调控因子激活和下游途径激活通常作为独立过程进行研究，尽管它们共同构成了一个连续的信号到流量序列。特别是在混合糖-芳香条件下，局部芳香物质响应调控因子在全球碳控制网络中的行为也尚未得到充分解析。这些限制限制了不同细菌宿主间的机制比较，并阻碍了调控模块在木质素转化菌株间的预测性转移（Diao等人，2022；Kamimura等人，2017；Lu等人，2023）。因此，当前的知识缺口不再是对额外芳香物质分解基因的识别，而是如何预测当运输、混合碳源、竞争途径和真实的木质素来源化学性质同时变化时特定调控因子-效应物机制的行为。

为了填补这些空白，本文提出了一个基于四个互补维度的细菌木质素转化机制框架：生理效应物身份、途径采样位置、调控证据的强度以及宿主碳环境。我们区分了细胞外芳香底物、辅酶A激活的中间体和真实木质素来源流中的未识别效应物，并研究了这些感知位置如何影响诱导时机、底物区分能力和代谢方向。调控分配通过分子结合、启动子占据、转录响应、遗传必要性、途径流量和宿主适应性进行评估。然后将这一框架应用于运输-调控耦合、细胞内效应物形成、全局碳控制和下游接受能力。通过这些比较，我们得出了在混合底物和相关工艺条件下选择调控模块和设计稳健芳香物质转化回路的实验可测试原则。这些原则在第5节中发展成了具体的工程策略，包括转录重组、动态传感器-执行器控制和底盘选择标准。

四维框架用于细菌木质素转化中的转录控制
高效转化木质素衍生的芳香物质需要协调底物吸收、细胞内转化和下游碳分配，尤其是在化学动态条件下（Tropel和Van Der Meer，2004）。一个核心的机制区别在于，外源提供的底物不一定是调控因子所识别的生理效应物。调控信号可能在运输后、辅酶A激活后或进一步途径中产生。

调控因子家族和效应物识别机制
本节探讨了参与细菌木质素转化的主要转录因子家族在效应物识别、启动子组织、DNA结合响应和途径位置方面的差异。表2汇总了定量配体和DNA结合参数，而下面的讨论强调了区分调控因子家族并确定其潜在工程应用的机制原理。

系统级整合运输、信号形成和全局控制
仅从个体转录因子的性质无法理解木质素转化途径的调控行为。局部调控模块在更广泛的生理系统中运作，这些系统决定了底物访问、细胞内效应物形成、下游代谢能力和与其他碳源的竞争。因此，本文从家族级调控机制转向了运输、信号形成和转录的综合。

木质素衍生化学品生产的工程原理
在四维框架中发展的机械概念可以转化为一系列实际决策，用于木质素衍生化学品的生产。芳香物质来源的组成部分受上游生物质分馏和木质素分解的影响。

突出的机制问题和研究重点
细菌木质素转化受分层调控架构的调控，其中生理效应物形成、启动子占据、运输能力、下游代谢接受能力和全局碳控制共同决定了途径输出。主要挑战不再仅仅是识别额外的芳香物质响应转录因子，而是确定哪些分子和生理特征使其行为在异质底物条件下可预测。

结论与展望
细菌木质素转化既是调控问题也是代谢问题。即使存在芳香物质分解酶，除非底物吸收、细胞内效应物形成、途径诱导和下游碳分配协调，否则也无法实现高效转化。因此，本文从四个互补维度探讨了转录控制：生理效应物身份、途径采样位置、机制证据的强度以及……

作者贡献声明
Ahmad Raza：撰写原始稿件、可视化
Shehbaz Ali：撰写原始稿件
Daochen Zhu：概念化、监督、审稿与编辑、项目管理、资金获取
Mazna Waheed：可视化
Nazar Hussain：可视化
所有作者均已阅读并批准了最终稿件。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢镇江药物疗效与健康风险评估重点实验室提供研究支持（SS2024006）。