《Journal of Hazardous Materials》：The LysR orchestrates expression of dibenzofuran catabolic genes in a dioxins-degrader
Rhodococcus sp. by direct handling and coordinating with LuxR solo
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本研究探究了Rhodococcus sp. strain p52中LysR与LuxR solo调控二苯呋喃降解基因的协同机制，发现LysR通过结合dbfA启动子抑制自身基因及降解基因表达，二苯呋喃可解除其抑制，且LysR通过抑制pDF01质粒上的LuxR solo调控另一降解基因簇。转录组与蛋白质组分析揭示了LysR作为代谢调控主开关，影响中心代谢及氧化磷酸化等过程。
作者：付长爱、徐永兰、陈燕、王旭、马晓宇、王晓宇、李莉
中国山东省微生物技术国家重点实验室（项目编号：SKLMTIJP-2025-02）；山东大学环境科学与工程学院
摘要
芳香族化合物的污染对全球生态系统构成了严重威胁。在生物修复过程中，芳香族化合物分解基因的转录调控是控制功能性生物体的关键机制，尤其是在工程化合成微生物中。LysR型转录调控因子和群体感应LuxR家族调控因子在细菌中普遍存在，参与代谢和生理活动的调控。然而，它们对分解基因调控的协同作用尚不明确。本研究探讨了LysR与LuxR单独存在时对Rhodococcus p52菌株中二苯并呋喃分解基因的转录调控机制。该菌株在pDF01和pDF02质粒上携带不同的二噁英分解基因簇。结果表明，pDF02上编码的自我调控LysR通过结合dbfA启动子抑制同一质粒上的分解基因表达，而二苯并呋喃可以解除LysR的抑制作用。此外，LysR还抑制了pDF01上编码的luxR单独存在的转录，后者调控该质粒上的分解基因。转录组和蛋白质组分析表明，LysR作为代谢调控的主要开关，不仅影响二苯并呋喃的降解途径，还影响中心代谢和氧化磷酸化过程。本研究加深了我们对细菌在芳香族化合物生物降解过程中转录调控层次结构的理解。
引言
芳香族化合物（如多环芳烃和二噁英）由于其持久性、毒性和致畸性，成为环境中的主要有机污染物[1][2]。它们主要来源于人类活动（如废物焚烧、化石燃料燃烧和工业排放），以及自然过程（如森林火灾和植物合成），对全球生态系统和人类健康构成严重威胁[3]。环境中的细菌产生特定的分解酶，以实现特定化合物的生物修复，而合成生物学技术为构建工程化微生物群落以修复复杂污染场地提供了新方法[4]。微生物广泛分布于水和土壤中，是有机化合物分解和全球碳循环的关键参与者。它们为从环境中去除顽固的芳香族二噁英提供了一种经济高效且可持续的方法[5]。在微生物降解研究中，非氯化母体化合物二苯并呋喃因其与二噁英相似的降解途径而被选为模型化合物[6]。细菌通常利用Rieske非血红素铁氧酶催化二苯并呋喃的初始氧化[7]。革兰氏阴性（G?）和革兰氏阳性（G+）细菌中存在具有特征的氧酶。在G?降解细菌中，由car操纵子（carAaAcAd-carBaBb-carC）编码的Car酶使Pseudomonas resinovorans CA10菌株具备降解咔唑和二噁英的能力[8][9]。在Sphingomonas wittichii RW1中，参与二苯并呋喃降解的基因簇dbfB-dxnA1A2-dnxB-dnxC位于可转移的pSWIT02质粒上[10]，该质粒也存在于其他二苯并呋喃降解细菌（如Sphingomonas p52菌株）中[11]。在G+细菌中，放线菌（如Nocardioides aromaticivorans[12]、Terrabacter pDBF63[13]、Rhodococcus YK2[14]、Rhodococcus HA01[15]和Rhodococcus p52[16]）拥有保守的二苯并呋喃降解酶，包括角二氧酶DfdA和/或DbfA、外二醇二氧酶DfdB和/或FlnD以及水解酶DfdC和/或FlnE[13]。其中，DfdA二氧酶的底物范围比DbfA更广[13]。转录调控通过响应污染物或中间代谢物等信号，实现对相关酶表达的精确控制。参与芳香族化合物降解的转录调控系统主要分为全局性、单组分和双组分系统[7]。LysR型转录调控因子（LTTRs）是最大的转录调控因子家族之一，广泛分布于细菌中，参与多种代谢和生理过程，如毒力[17]、氧化应激[18]和群体感应（QS）[19]等。据报道，LTTRs参与多种芳香族化合物分解途径的调控。例如，Acinetobacter baylyi ADP1染色体中的水杨酸盐、苯甲酸盐和儿茶酚分解基因位于sal-are-ben-cat超级簇中，分别由LTTRs SalR[20]、BenM[21]和CatM[22]调控。在Pseudomonas pXY-1菌株中，参与碳酰胺完全降解的基因簇mcbABCDEF、mcbIJKLM和mcbOPQ分别由LTTRs McbG[23]、McbH和McbN[24]激活。转录调控为合成生物学在生物修复中的创新编程和功能设计提供了基础，为构建可预测和可控的遗传电路提供了关键组成部分和逻辑规则[25]。尽管已经报道了调控降解基因表达的转录调控机制，但调控因子之间的层次控制关系仍不清楚。Rhodococcus p52菌株是修复顽固有机污染物的潜在候选菌株。该菌株能够代谢多种芳香族化合物，包括二苯并p-二噁英、二苯并呋喃、二苯并噻吩、联苯、萘、fluorene、菲、蒽等[16]，并且具有利用生物增强污泥去除污染物的优异潜力[26][27]。p52菌株的基因组中存在两组高度保守的操纵子luxR-dfdB-dfdC-dfdA1A2A3A4和lysR-sdr-dbfA1A2-flnE-flnD，分别位于共转移的分解质粒pDF01和pDF02上[28]。先前的研究揭示了pDF01质粒编码的LuxR单独存在的转录调控机制，该机制参与二苯并呋喃分解基因的调控[29]。LTTRs已被发现参与调控多种QS家族的LuxR调控因子[30]。然而，LysR对芳香族化合物分解的转录调控机制，尤其是其与LuxR单独存在的协同作用尚不清楚。本研究的目的是揭示这种新的LysR介导的层次调控系统，这是生物修复中的关键调控机制。首先，我们通过启动子活性测定、电泳迁移率变化（EMSA）和实时定量PCR（RT-qPCR）研究了LysR对其自身基因和二苯并呋喃降解基因的调控机制。其次，转录组和蛋白质组分析揭示了LysR与LuxR单独存在之间的协同作用，并进一步探讨了LysR在细菌生长和代谢基因表达中的全局调控作用。本研究不仅阐明了生物修复中的层次调控网络，揭示了重要的质粒间相互作用，还为通过合成生物学开发有益的微生物群落奠定了基础。
细菌菌株、质粒和培养条件
本研究使用的菌株和质粒详见表S1。Escherichia coli在37 ℃和180 rpm条件下培养于LB培养基中[31]。Rhodococcus p52菌株在80 ℃下活化后，接种到以二苯并呋喃为唯一碳源的无碳矿物培养基（CFMM）中[16]。其中，p52（pDF01?）菌株失去了pDF01质粒，而p52（pDF01?, pDF02?）菌株同时失去了pDF01和pDF02质粒[32]。培养过程中添加了抗生素。基因簇dbfA1A2-flnE-flnD共同转录，而lysR独立转录
先前研究表明，Rhodococcus p52菌株可在48小时内完全降解500 mg/L的二苯并呋喃，其降解途径已明确[16]。如图1A所示，两个不同的基因簇（dfdA1A2A3A4和dbfA1A2）参与p52菌株中二苯并呋喃的初始羟基化过程。这些基因簇分别位于分解质粒pDF01和pDF02上。在之前的研究中，已证实dfdA1A2A3A4是共同转录的[29]。结论
生物修复过程中降解基因的调控网络尚不明确。本研究阐明了Rhodococcus p52中的调控层次结构，其中LysR调控二苯并呋喃分解基因，并与LuxR单独存在的调控因子协同作用，揭示了生物修复中的新转录机制。共转录分析表明lysR独立转录，而dbfA1A2-flnE-flnD形成一个操纵子。LysR通过结合自身基因和分解基因来抑制它们的表达。
环境意义
芳香族化合物污染对生态系统构成严重威胁。在生物修复过程中，转录调控是功能性生物体和工程化合成微生物的精确控制机制。虽然LysR型和LuxR单独存在的调控因子在细菌中普遍存在并调控代谢途径，但它们在芳香族化合物降解中的协同作用仍不清楚。本研究阐明了LysR与LuxR单独存在之间的关系及其背后的调控机制。未引用参考文献
[58]CRediT作者贡献声明
王晓宇：研究工作、数据整理。
马晓宇：方法学、数据整理。
王旭：方法学、数据分析。
付长爱：初稿撰写、方法学、数据分析、可视化。
徐永兰：方法学指导、数据分析。
李莉：撰写、审稿与编辑、项目协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22076102和21876100）和微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（项目编号SKLMTIJP-2025-02）的支持。
