《Nature Communications》：The bacterial RNA polymerase-associated CarD protein couples promoter activity to DNA supercoiling
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本研究揭示了细菌RNA聚合酶辅助蛋白CarD通过耦合启动子活性与DNA超螺旋状态，调控转录起始的新机制。针对Rhodobacter sphaeroides启动子-10元件的序列缺陷，团队结合基因组学与生化手段发现CarD通过感知DNA负超螺旋变化，在环境应激中维持基础转录稳态，为细菌适应性调控提供新范式。
在细菌的转录起始过程中，RNA聚合酶（RNAP）必须解旋DNA双链才能启动基因表达，而这一过程的核心发生在启动子的-10元件区域。然而在许多细菌如紫色光异养α-变形菌门细菌Rhodobacter sphaeroides中，其启动子的-10元件存在先天性的序列缺陷，导致DNA开链稳定性不足，直接影响转录效率。这一缺陷如何被补偿，以及细菌如何通过调控机制适应环境变化，成为领域内亟待解决的科学问题。
为解决上述问题，研究团队在《Nature Communications》上发表的研究中，通过整合基因组尺度的高通量分析技术，系统绘制了R. sphaeroides的转录起始位点图谱、RNAP结合位点、CarD蛋白相互作用网络及DNA拓扑结构动态。研究发现，CarD蛋白作为RNAP的辅助因子，能够特异性识别-10元件的结构缺陷，并通过耦合DNA负超螺旋状态来调控启动子开链效率。当DNA负超螺旋水平因环境应激下降时，CarD通过稳定RNAP与启动子的相互作用维持基础转录，但在开链过度稳定时又可能抑制转录，形成双向调控开关。
关键技术方法
研究采用基因组规模技术：转录起始位点定位（转录组学）、RNAP染色质免疫沉淀（ChIP-seq）、CarD全基因组结合谱（ChIP-exo）及DNA拓扑结构分析（拓扑异构酶足迹法）。样本来源于R. sphaeroides野生型与突变株。
研究结果
- 1.
CarD依赖性启动子的全局分布
通过比较转录起始图谱与CarD结合谱，发现CarD富集于-10元件存在T-nucleotide缺失的启动子区域，此类启动子的转录活性显著依赖CarD调控。
- 2.
DNA超螺旋与CarD的协同效应
拓扑学分析显示，CarD调控的启动子对负超螺旋变化高度敏感。当通过药物抑制DNA旋转酶（gyrase）降低超螺旋水平时，CarD依赖型启动子的转录活性显著下降。
- 3.
-10元件缺陷的功能验证
体外生化实验表明，将R. sphaeroides的-10元件突变修复为保守序列后，CarD与超螺旋的协同调控作用消失，证实序列缺陷是调控的必要条件。
结论与意义
该研究首次揭示CarD通过感知DNA拓扑结构变化，将环境信号（如应激导致的超螺旋弛豫）与基础转录调控相耦合的分子机制。这一“拓扑传感器”模型解释了细菌在营养胁迫等条件下维持转录稳态的策略，为开发针对细菌转录机器的抗菌药物提供了新靶点。
