細菌ChIP-seq測序分析在抗生素合成機制研究新進展中的應用
2023年06月07日，華東理工大學生物工程學院和生物反應器工程國家重點實驗室葉邦策教授和尤迪副教授為共同通訊作者、博士生符瑜為第一作者以“A meet-up of acetyl phosphate and c-di-GMP modulates BldD activity for development and antibiotic production”【1】為題在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）雜志發表研究論文。該研究以放線菌（Actinobacteria）為研究對象，揭示了蛋白質酰基化與c-di-GMP協同調控放線菌發育與抗生素合成機制的研究新進展。深圳市易基因科技有限公司為本研究提供ChIP-seq測序分析服務。
標題：A meet-up of acetyl phosphate and c-di-GMP modulates BldD activity for development and antibiotic production（乙酰磷酸和c-di-GMP協同調控BldD活性，促進抗生素開發和生產）
時間：2023-06-07
期刊：Nucleic Acids Research
影響因子：IF 19.16
技術平臺：EMSA 、ChIP-seq、Western blot、RT-PCR、質譜、免疫沉淀（IP）和免疫印跡（IB）等
摘要：
放線菌（Actinobacteria）是一種普遍存在的細菌，會同時經歷復雜的生長發育和抗生素生產以響應應激或營養脅迫。放線菌的這種生長發育主要受c-di-GMP和廣域調控因子BldD互作調控。迄今為止，調控這些細胞生物學過程的上游和整體信號網絡仍然未知。在紅霉素生產菌（紅霉糖多孢菌，Saccharopolyspora erythraea，S. erythraea）中，研究結果表明外界環境氮脅迫引起積累的乙酰磷酸（acetyl phosphate，AcP）與c-di-GMP協同調控BldD活性。AcP誘導的K11位點乙酰化顯著抑制BldD形成二聚體并與靶DNA解離，干擾c-di-GMP的信號通路，從而調控發育變化和抗生素生產。此外，BldDK11R的實際突變可繞過乙酰化調控，強化BldD對紅霉素合成的正調控能力，提升紅霉素終產量。AcP依賴性乙酰化的研究通常局限于酶活性調控。本研究結果揭示了AcP誘導的乙酰化共價修飾與c-di-GMP非共價結合協同調控放線菌發育與次級代謝的分子機制，開拓了翻譯后修飾的新功能，有助于全面理解微生物固有的翻譯后修飾系統對整體代謝網絡（營養代謝與合成代謝）的交互作用及其調控規律，顯示了基于酰基化修飾調控的原理和分子機制在合成生物系統工程化設計方面的應用潛能。AcP與c-di-GMP信號整合在一起，調節BldD發育和抗生素生產活性，以響應環境脅迫。這種連貫的監管網絡可能在放線菌中廣泛存在，因此具有廣泛意義。
研究背景：
蛋白質的翻譯后修飾是一種所有生命體固有的調控機制，對于調控細胞功能，決定細胞生長、發育等生命活動有序、高效進行具有重要作用。放線菌作為產抗生素種類最多、最具商用價值的微生物細胞工廠，其次級代謝產物廣泛應用于醫、農、畜牧業及醫藥研究等各個領域。放線菌次級代謝產物的產量和種類與形態分化密切相關，該過程受到營養信號與代謝波動的級聯網絡調控。已有的研究表明，放線菌的形態分化主要由第二信使c-di-GMP和廣域調控因子BldD的互作控制，但影響該過程的上游信號及其作用機理仍然未知。解析其分子機制并精準調控放線菌的形態分化，對于全面理解放線菌生理代謝的分子基礎，及以放線菌為底盤的高效合成生物系統工程化設計理論與方法研究具有重要意義。【2】
研究結果：
（1）AcP誘導的BldD乙酰化強烈影響其DNA結合活性及與c-di-GMP互作
圖1：AcP誘導的BldD乙酰化強烈影響其DNA結合活性及與c-di-GMP互作
（2）BldD主要通過K11乙酰化失活
（3）K11乙酰化抑制BldD與其靶基因結合的整體結果
圖3：S.erythraea中BldD靶基因ChIP-seq分析。
A. peaks中心區域和TSS區域的ChIP-seq信號密度熱圖（±5 kb）。
B. S.erythraea ObldDK11Q（紅色）和ObldD菌株（藍色）的ChIP-seq信號。
C. BldD靶向啟動子的ChIP-seq數據。ObldD（藍色）、ObldDK11Q（紅色）。繪圖跨~2 kb的DNA序列。
（4）K11乙酰化促進生長發育并抑制抗生素生產
（5）氮脅迫使細胞內AcP濃度升高，從而增加了BldD的K11位點乙酰化水平
（6）AcP誘導的乙酰化和c-di-GMP誘導的多聚化協作在放線菌中保守
圖6：放線菌中BldD蛋白的系統發育樹
參考文獻：
標題：A meet-up of acetyl phosphate and c-di-GMP modulates BldD activity for development and antibiotic production（乙酰磷酸和c-di-GMP協同調控BldD活性，促進抗生素開發和生產）
時間：2023-06-07
期刊：Nucleic Acids Research
影響因子：IF 19.16
技術平臺：EMSA 、ChIP-seq、Western blot、RT-PCR、質譜、免疫沉淀（IP）和免疫印跡（IB）等
摘要：
放線菌（Actinobacteria）是一種普遍存在的細菌，會同時經歷復雜的生長發育和抗生素生產以響應應激或營養脅迫。放線菌的這種生長發育主要受c-di-GMP和廣域調控因子BldD互作調控。迄今為止，調控這些細胞生物學過程的上游和整體信號網絡仍然未知。在紅霉素生產菌（紅霉糖多孢菌，Saccharopolyspora erythraea，S. erythraea）中，研究結果表明外界環境氮脅迫引起積累的乙酰磷酸（acetyl phosphate，AcP）與c-di-GMP協同調控BldD活性。AcP誘導的K11位點乙酰化顯著抑制BldD形成二聚體并與靶DNA解離，干擾c-di-GMP的信號通路，從而調控發育變化和抗生素生產。此外，BldDK11R的實際突變可繞過乙酰化調控，強化BldD對紅霉素合成的正調控能力，提升紅霉素終產量。AcP依賴性乙酰化的研究通常局限于酶活性調控。本研究結果揭示了AcP誘導的乙酰化共價修飾與c-di-GMP非共價結合協同調控放線菌發育與次級代謝的分子機制，開拓了翻譯后修飾的新功能，有助于全面理解微生物固有的翻譯后修飾系統對整體代謝網絡（營養代謝與合成代謝）的交互作用及其調控規律，顯示了基于酰基化修飾調控的原理和分子機制在合成生物系統工程化設計方面的應用潛能。AcP與c-di-GMP信號整合在一起，調節BldD發育和抗生素生產活性，以響應環境脅迫。這種連貫的監管網絡可能在放線菌中廣泛存在，因此具有廣泛意義。
圖形摘要
研究背景：
蛋白質的翻譯后修飾是一種所有生命體固有的調控機制，對于調控細胞功能，決定細胞生長、發育等生命活動有序、高效進行具有重要作用。放線菌作為產抗生素種類最多、最具商用價值的微生物細胞工廠，其次級代謝產物廣泛應用于醫、農、畜牧業及醫藥研究等各個領域。放線菌次級代謝產物的產量和種類與形態分化密切相關，該過程受到營養信號與代謝波動的級聯網絡調控。已有的研究表明，放線菌的形態分化主要由第二信使c-di-GMP和廣域調控因子BldD的互作控制，但影響該過程的上游信號及其作用機理仍然未知。解析其分子機制并精準調控放線菌的形態分化，對于全面理解放線菌生理代謝的分子基礎，及以放線菌為底盤的高效合成生物系統工程化設計理論與方法研究具有重要意義。【2】
研究結果：
（1）AcP誘導的BldD乙酰化強烈影響其DNA結合活性及與c-di-GMP互作
圖1：AcP誘導的BldD乙酰化強烈影響其DNA結合活性及與c-di-GMP互作
（2）BldD主要通過K11乙酰化失活
表1：不同條件下的BldD乙酰化位點
圖2：BldD主要通過K11乙酰化失活
（3）K11乙酰化抑制BldD與其靶基因結合的整體結果
圖3：S.erythraea中BldD靶基因ChIP-seq分析。
B. S.erythraea ObldDK11Q（紅色）和ObldD菌株（藍色）的ChIP-seq信號。
C. BldD靶向啟動子的ChIP-seq數據。ObldD（藍色）、ObldDK11Q（紅色）。繪圖跨~2 kb的DNA序列。
（4）K11乙酰化促進生長發育并抑制抗生素生產
圖4：K11乙酰化促進BldD介導的發育并抑制抗生素生產
（5）氮脅迫使細胞內AcP濃度升高，從而增加了BldD的K11位點乙酰化水平
圖5：氮脅迫增加了BldD的K11位點乙酰化
（6）AcP誘導的乙酰化和c-di-GMP誘導的多聚化協作在放線菌中保守
圖6：放線菌中BldD蛋白的系統發育樹
參考文獻：
- Fu Y, Dong YQ, Shen JL, Yin BC, Ye BC, You D. A meet-up of acetyl phosphate and c-di-GMP modulates BldD activity for development and antibiotic production. Nucleic Acids Res. 2023 Jun 7.
- 華東理工大學生物工程學院官網：【創新前沿】《核酸研究》報道我校關于蛋白質酰基化與c-di-GMP協同調控放線菌發育與抗生素合成的機制研究新進展 (ecust.edu.cn)
標簽：
ChIP-seq
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