12月7日，国际著名期刊《Proceedings of the National Academy of sciences of the United States of America》在线发表华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室叶邦策教授有关微生物营养代谢调控及多糖高效利用机制研究进展，研究人员发现，氮代谢的核心调控子GlnR也控制着non-PTS(非磷酸转移酶系统)碳源的摄取和利用。实验工作由博士生廖成衡、姚丽荔、徐娅及青年教师刘卫兵、周英完成，叶邦策教授为论文的通讯作者。
众所周知，微生物对营养物质的利用具有偏好性，当培养基中存在多种碳源时，微生物会选择先利用易于分解的碳源物质，然后再利用其他碳源，这种依次利用的现象(称为代谢产物阻遏效应，CCR)，严重阻碍了生物质多糖的高效利用。如何打破CCR效应，纠正微生物的“偏食陋习”，从系统层次揭示其作用机制，通过基因工程手段把生物质来源的六碳糖和五碳糖的顺序利用改变为同时利用，提高生物质的转化及利用效率，是当前生物制造的重要研究课题之一。
放线菌能够大量生产有益的代谢产物，在药物、化合物、能源等工业生产上有很大的价值。对多种碳源进行有效共利用，是放线菌工业生产的一个主要技术挑战。一直以来，人们对放线菌摄取和利用多种碳水化合物的调控机制知之甚少。
该成果以放线菌为研究对象，对其摄取和利用多种营养物质(氮源、碳源及磷源)的调控机制进行研究，通过构建新型生物传感器在线监测微生物细胞内的代谢状态，建立了碳、氮、磷交叉调控网络，首次揭示了氮代谢调控蛋白GlnR是放线菌多糖转运及利用系统的重要调控因子。一般来说，次偏好性的碳源在微生物中是通过ABC(ATP-Binding Cassette)转运系统进行运输，通过研究GlnR对ABC碳转运系统的调控机制，发现GlnR激活大部分基于ABC转运的多糖的转运及利用，研究结果表明放线菌调控蛋白GlnR是一个全新的碳源转运及代谢广域激活因子。这些发现为微生物多糖高效利用的菌种改造及发酵工艺优化提供了理论基础及新策略，如通过调控glnR基因的表达水平，调节培养基的C/N比等方法可以显著改进六碳糖和五碳糖同时利用效率。
研究显示，放线菌GlnR不仅能够调控氮代谢，还控制着non-PTS碳源的ABC(atp-binding cassette)转运系统。GlnR可以根据细胞的营养状态，通过整合氮信号介导氮代谢和碳代谢的相互作用。这是首次在放线菌中系统描述GlnR介导的碳水化合物代谢调控。近日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室叶邦策教授团队又获重大进展，揭示了一种放线菌氮代谢的重要调控机制。这项研究工作发布在6月1日的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。 放线菌与人类健康息息相关，临床使用的抗生素约70%是由各种放线菌所产生的，而有些放线菌会对人类构成危害，造成人和动植物病害，如引起结核病的病原菌——结核分枝杆菌。 “氮代谢与放线菌的生长、形态发育、抗生素合成及致病性相关联，这也正是我们研究所关注的。”叶邦策表示，谷氨酰胺合成酶GlnA1是放线菌氮代谢的关键酶，是结核杆菌的毒力因子及药物靶点。 2015年，课题组研究人员就发现，氮代谢的核心调控子GlnR不仅能够调控氮代谢，还控制着non-PTS碳源的ABC（ATP-bindingcassette）转运系统。 而最新的研究成果表明，赖氨酸乙酰化修饰不仅能抑制GSII型谷氨酰胺合成酶（GlnA1）活性，还能赋予GSI-β型谷氨酰胺合成酶（GlnA4）分子伴侣的功能，通过蛋白质-蛋白质相互作用，促进氮调控因子GlnR与DNA的结合能力及转录活性(10 倍)。 同时，GlnR能够调控谷氨酰胺合成酶基因转录水平及谷氨酰胺合成酶乙酰化水平（乙酰转移酶AcuA介导），以响应细胞内可利用氮源的变化。 研究人员进一步发现，这种转录及翻译后修饰氮代谢反馈调控机制（GlnR-PTM-GlnA）在放线菌中是高度保守的，这些发现为工业微生物代谢调控途径的菌种改造及发酵工艺优化提供了理论基础及新策略，也为结核分枝杆菌等致病菌的新药开发提供了新的靶点。 据介绍，博士生尤迪为论文第一作者，硕士生李志海及青年教师尹斌成等参与了部分研究工作，叶邦策教授为论文通讯作者，这是叶邦策教授团队时隔不到半年再次在PNAS上发表研究论文。
该研究得到了国家自然科学基金委重点项目（21335003）及创新群体（21421004）的支持。
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Nitrogen regulator GlnR controls uptake and utilization of non-phosphotransferase-system carbon sources in actinomycetes
原文摘要：
The regulatory mechanisms underlying the uptake and utilization of multiple types of carbohydrates in actinomycetes remain poorly understood. In this study, we show that GlnR (central regulator of nitrogen metabolism) serves as a universal regulator of nitrogen metabolism and plays an important, previously unknown role in controlling the transport of non-phosphotransferase-system (PTS) carbon sources in actinomycetes. It was observed that GlnR can directly interact with the promoters of most (13 of 20) carbohydrate ATP-binding cassette (ABC) transporter loci and can activate the transcription of these genes in response to nitrogen availability in industrial, erythromycin-producing Saccharopolyspora erythraea. Deletion of the glnR gene resulted in severe growth retardation under the culture conditions used, with select ABC-transported carbohydrates (maltose, sorbitol, mannitol, cellobiose, trehalose, or mannose) used as the sole carbon source. Furthermore, we found that GlnR-mediated regulation of carbohydrate transport was highly conserved in actinomycetes. These results demonstrate that GlnR serves a role beyond nitrogen metabolism, mediating critical functions in carbon metabolism and crosstalk of nitrogen- and carbon-metabolism pathways in response to the nutritional states of cells. These findings provide insights into the molecular regulation of transport and metabolism of non-PTS carbohydrates and reveal potential applications for the cofermentation of biomass-derived sugars in the production of biofuels and bio-based chemicals.
doi: 10.1073/pnas.1508465112
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