生物通报道：来自中国科学技术大学生命科学学院和合肥微尺度物质科学国家实验室，法国科研中心的研究人员研究了蓝藻（亦称蓝细菌）中控制氮代谢和异形胞分化的全局性转录因子NtcA被激活的结构生物学机理，这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

文章的通讯作者是来自中国科学技术大学生命科学学院周丛照教授和法国科研中心张承才研究员，前者早年毕业于中国科技大学生物系，主要研究兴趣在于利用结构基因组学的研究方法系统地克隆、表达和纯化参与酿酒酵母氧化应激反应(oxidative stress)的蛋白质等。

淡水蓝藻的大量繁殖是导致水华的主要因素。NtcA是特异性存在于蓝藻中的一类转录因子，调节以氮代谢为主，包括碳代谢、光合作用和应激反应相关基因的表达。在一些蓝藻（如太湖和巢湖蓝藻的第二大种群--鱼腥藻）中，NtcA还参与异形细胞分化相关基因的调控。三羧酸循环产生的α-酮戊二酸在有机氮源缺乏时会在细胞内富集，从而结合到NtcA上并使其激活。

当α-酮戊二酸或其类似物结合到NtcA的诱导子结合结构域后，会引起周边氨基酸残基的构象变化，并进而通过一个长螺旋将信号传递到DNA结合结构域，导致与DNA结合的一对α螺旋之间的距离由原来的37埃缩短为34埃，更适合与DNA大沟的特异性结合。这项研究在原子分辨率水平清晰地阐明了NtcA在氮源缺乏时被激活的结构生物学机理。

近期结构生物学领域还获得了一项重要成果，德国的科学家成功完成了线粒体呼吸链膜蛋白复合物I晶体结构的X射线结构分析，这项成果公布在Science杂志上。

有氧呼吸是动植物进行呼吸作用的主要形式，细胞在氧的参与下，通过酶的催化作用将糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放出大量能量。细胞内的能量物质转换发生在线粒体中，因此线粒体是为细胞提供能量的“动力工厂”。其氧化过程由线粒体内膜上的4个呼吸链膜蛋白复合物(简称复合物I、II、III和IV)来完成。

经过十几年的研究，德国科学家终于成功完成了线粒体呼吸链膜蛋白复合物I晶体结构的X射线结构分析，这种巨大且极其复杂的复合物由40多个不同的蛋白质组成。

膜蛋白复合物I的新结构模型解释了其工作原理的重要和意想不到的信息。线粒体呼吸链的结构生物学研究对于彻底了解细胞内电子传递和能量转化的机理至关重要，尤其是对于帕金森氏症或阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病以及人体老化等具有重要意义。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Structural basis for the allosteric control of the global transcription factor NtcA by the nitrogen starvation signal 2-oxoglutarate

2-oxogluatarate (2-OG), a metabolite of the highly conserved Krebs cycle, not only plays a critical role in metabolism, but also constitutes a signaling molecule in a variety of organisms ranging from bacteria to plants and animals. In cyanobacteria, the accumulation of 2-OG constitutes the signal of nitrogen starvation and NtcA, a global transcription factor, has been proposed as a putative receptor for 2-OG. Here we present three crystal structures of NtcA from the cyanobacterium Anabaena: the apoform, and two ligand-bound forms in complex with either 2-OG or its analogue 2,2-difluoropentanedioic acid. All structures assemble as homodimers, with each subunit composed of an N-terminal effector-binding domain and a C-terminal DNA-binding domain connected by a long helix (C-helix). The 2-OG binds to the effector-binding domain at a pocket similar to that used by cAMP in catabolite activator protein, but with a different pattern. Comparative structural analysis reveals a putative signal transmission route upon 2-OG binding. A tighter coiled-coil conformation of the two C-helices induced by 2-OG is crucial to maintain the proper distance between the two F-helices for DNA recognition. Whereas catabolite activator protein adopts a transition from off-to-on state upon cAMP binding, our structural analysis explains well why NtcA can bind to DNA even in its apoform, and how 2-OG just enhances the DNA-binding activity of NtcA. These findings provided the structural insights into the function of a global transcription factor regulated by 2-OG, a metabolite standing at a crossroad between carbon and nitrogen metabolisms.

作者简介：

周丛照，男，教授，博士生导师，中国科学院“****”入选者。 　　

1968年出生于湖北省。1987年至1995年就读于中国科技大学生物系并先后获学士和硕士学位。1999年1月至2000年2月作为联合培养博士生在法国巴黎南大学IGM研究所学习，2000年获中国科学技术大学生命科学学院博士学位。2000年9月至2001年1月在法国巴黎南大学遗传学与微生物学研究所作博士后研究；2001年2月至2003年12月在法国科研中心及巴黎南大学结构基因组学实验室作博士后研究。现为中国科技大学生命科学学院教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）研究员。在Nucleic Acids Research、Journal of Biological Chemistry、Structure、Biochemistry、Proteins和Gene等杂志发表研究论文十余篇。曾获得1998年度安徽省自然科学二等奖和2000年中法科技交流协会生物技术奖。2004年8月起任安徽省生物化学与分子生物学学会副理事长兼秘书长。2005年10月当选全国生物化学与分子生物学学会理事。2005年10月当选全国生物化学与分子生物学学会常务理事。 　　

主要研究兴趣： 　　1、 酿酒酵母氧化应激反应的蛋白质相互作用网络及其在其他物种的同源映射研究 　　利用结构基因组学的研究方法系统地克隆、表达和纯化参与酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)氧化应激反应(oxidative stress)的蛋白质。在对这些纯化的蛋白质的生化功能进行分析的基础上，解析其中一些关键蛋白的三维结构，并发现和鉴定一些新的多蛋白质复合物，最终重建氧化应激反应的蛋白质信号转导和相互作用网络。进一步可以通过同源映射作用，将这些知识应用到其他物种，从而有助于加深我们对氧化应激导致的衰老和各种疾病的分子机制的理解，以期为设计相关药物提供理论基础。 　　

2、 家蚕(Bombyx mori)丝质相关基因及其编码蛋白的结构和功能研究 　　我们将以家蚕丝心蛋白基因的有关研究工作为基础，与最近完成的家蚕全基因组序列相结合，对家蚕基因组中与丝质相关的基因及其编码的蛋白质进行系统分析和深入研究，以理解丝心蛋白基因的高效复制和表达以及丝素的分泌和包装的精细调控的分子机制。 　　

近期论文： 　　1. Sun J., Zhang J., Wu F., Xu C., Li S., Zhao W., Wu Z., Wu J., Zhou C.Z.* and Shi Y.* Solution structure and metal binding properties of Kti11p from Saccharomyces cerevisiae. Biochemistry. 2005; 44: 8801-8809 (*corresponding author) (PDB code: 1YOP) 　　
2. Graille M*, Zhou C.Z*., Receveur V., Collinet B., Declerck N. and van Tilbeurgh H. Activation of the LicT transcriptional antiterminator by a domain swing/lock mechanism. Journal of Biological Chemistry. 2005; 280:14780-14789. (*contributed equally) (PDB code: 1TLV) 　　
3. Zhou C.Z.*, Meyer P.* Quevillon-Cheruel S., de La Sierra-Gallay IL., Collinet B., Graille M., Blondeau K., Leulliot N., Sorel I., Poupon A., Janin J. and van Tilbeurghet H. Crystal structure of the YML079w protein from Saccharomyces cerevisiae reveals a new sequence family of the jellyroll fold. Protein Science. 2005; 14:209-215 (*contributed equally) (PDB code: 1XE7, 1XE8) 　　4. Quevillon-Cheruel S., Liger D., Leulliot N., Graille M., Poupon A., de la Sierra-Gallay I.L., Zhou C.Z., Collinet B., Janin J. and van Tilbeurgh H. The Paris-Sud Yeast Structural Genomics Pilot Project: from structure to function. Biochimie. 2004; 86(9-10): 617-623. 　　
5. Liger D., Graille M., Zhou C.Z., Leulliot N., Quevillon-Cheruel S., Blondeau K., Janin J. and van Tilbeurgh H. Crystal structure and functional characterisation of yeast YLR011wp, an NAD(P)H:FMN reductase with NAD(P)H- and FMN-dependent ferric iron reductase activity. Journal of Biological Chemistry. 2004; 279: 34890-34897. (PDB code: 1T0I) 　　6. Tresaugues L., Collinet B., Minard P., Henkes G., Aufrère R., Blondeau K., Liger D., Zhou C.Z., Janin J., van Tilbeurgh H. and Quevillon-Cheruel S. Refolding strategies from inclusion bodies in a structural genomics project. Journal of Structural and Functional Genomics. 2004; 5: 195–204. 　　
7. Zhou C.Z.* and Chen Y.X. Developments in structural genomics: protein purification and function interpretation. Current Genomics. 2004; 5: 37-48. (*corresponding author) 　　
8. Graille M., Cheruel S., Leulliot N., Zhou C.Z., Li de La Sierra Gallay I., Jacquamet L., Ferrer J-L., Poupon A., Janin J. and van Tilbeurgh H. Crystal structure of the YDR533c S. cerevisiae protein, a class II member of the Hsp 31 family. Structure. 2004; 12: 839-847. (PDB code: 1QVV, 1QVW 1QVZ) 　　
9. de La Sierra-Gallay IL, Collinet B, Graille M, Quevillon-Cheruel S, Liger D, Minard P, Blondeau K, Henckes G, Aufrere R, Leulliot N, Zhou C.Z., Sorel I, Ferrer JL, Poupon A, Janin J, van Tilbeurgh H. Crystal structure of the YGR205w protein from Saccharomyces cerevisiae: close structural resemblance to E. coli pantothenate kinase. Proteins. 2004; 54(4): 776-783 (PDB code: 1ODF) 　　10. Zhou C.Z., de la Sierra-Gallay I.L., Quevillon-Cheruel S., Collinet B., Graille M., Blondeau K., Leulliot N., Sorel I., Poupon A., Janin J. and van Tilbeurgh H. Crystal structure of the yeast PX-domain protein Grd19p complexed to phosphatidylinositol-3-phosphate. Journal of Biological Chemistry. 2003; 278: 50371–50376. (PDB code: 1OCS, 1OCU) 　　11. Quevillon-Cheruel S, van Tilbeurgh H, Leulliot N, Tresaugues L, Liger D, Zhou CZ, Poupon A, Janin J. The South-Paris Yeast Structural Genomics Project. Yeast. 2003; 20: S340 (Suppl) 　　12. Zhou C.Z*., Confalonieri F., Esnault C., Zivanovic Y., Jacquet M., Janin J., Perasso R., Li Z.G. and Duguet M. The 62-kb upstream region of Bombyx mori fibroin heavy chain gene is clustered of repetitive elements and candidate matrix association regions. Gene. 2003; 312: 189-195. (corresponding author) 　　13. Quevillon-Cheruel S., Collinet B., Zhou C.Z., Minard P., Blondeau K., Henkes G., Aufrere R., Coutant J., Guittet E., Lewit-Bentley A., Leulliot N., Ascone I., Sorel I., Savarin P., Li de La Sierra Gallay I., de la Torre F., Poupon A., Fourme R., Janin J. and van Tilbeurghet H. A structural genomics initiative on yeast proteins. Journal of Synchrotron Radiation. 2003; 10: 4–8. 　　
14. Quevillon-Cheruel S., Collinet B., Zhou C.Z., Poupon A., Li de la Sierre-Gallay I., Janin J., Blondeau K. and Jacquet M. A structural genomics pilot project: study of 200 yeast's ORFs. Yeast. 2001; 18: S113 (Suppl.) 　　15. Zhou C.Z.* and Liu B. Identification and characterization of a silkgland-related matrix association region in Bombyx mori. Gene. 2001; 277(1-2): 139-144. (corresponding author) 　　16. Zhou C.Z., Confalonieri F., Jacquet M., Perasso R., Li Z.G. and Janin J. Silk fibroin: Structural implications of a remarkable amino acid sequence. Proteins. 2001; 44(2): 119-122. 　　
17. Zhou C.Z., Confalonieri F., Medina N., Esnault C., Zivanovic Y., Yang T., Jacquet M., Janin J., Duguet M., Perasso R. and Li Z.G. Fine organization of Bombyx mori fibroin heavy chain gene. Nucleic Acids Research. 2000; 28(12): 2413-2419.

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