Nature子刊：ChIP-seq等揭示c-di-AMP与Das
c-di-AMP是一种在细菌信号中普遍存在且至关重要的核苷酸第二信使，对于大多数c-di-AMP合成生物体来说，c-di-AMP稳态及其信号转导的分子机制非常值得关注。
2024年5月7日，华东理工大学尤迪副研究员为第一作者和通讯作者、叶邦策教授为共同通讯在《Nature Communications》期刊发表题为“Allosteric regulation by c-di-AMP modulates a complete N-acetylglucosamine signaling cascade in Saccharopolyspora erythraea”的研究论文，该研究将生产红霉素的红霉素生产菌（红霉糖多孢菌，Saccharopolyspora erythraea，S. erythraea）中的DasR鉴定为c-di-AMP的靶标，从而揭示c-di-AMP与该细菌中GlcNAc信号之间的直接联系。研究还表明c-di-AMP结合刺激了DasR介导的GlcNAc摄取和利用抑制，并描述了c-di-AMP介导形成c-di-AMP连接的DasR二聚体形成的分子机制。由于GntR家族调控因子以二聚体形式与DNA互作，因此DasR的有效二聚体化激活了DasR对其目标调控子的调节。具体来说，DAC活性受到DasR的直接转录调控，从而形成调控环，调控从营养状态到形态分化和抗生素合成的完整信号级联。最后，系统发育分析和体外实验进一步表明，c-di-AMP通过变构调节发挥全局调控作用，并通过DasR介导的信号整合在产生c-di-AMP的放线菌中可能是保守且必需的。
标题：Allosteric regulation by c-di-AMP modulates a completeN-acetylglucosamine signaling cascade in Saccharopolyspora erythraea
中文标题：c-di-AMP的变构调节可以全局调控糖多孢菌（Saccharopolyspora erythraea）中完整的N-乙酰葡糖胺信号级联反应
时间：2024-05-07
期刊：Nature Communications
影响因子：IF 16.6 / Q1
技术平台：EMSA 、ChIP-seq、qRT-PCR、BLI实验、ITC实验、CD实验、酶法实验、过表达实验、化学交联实验等
摘要：
本研究揭示了c-di-AMP与感应N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）调节因子DasR的结合，表明c-di-AMP和GlcNAc信号之间存在直接关联。GlcNAc不仅在细胞表面结构中扮演基础性角色，还作为一种调控从细菌到人类多种细胞过程的主要营养物质和信使分子。研究还表明，增加的c-di-AMP水平能够变构激活DasR，使其作为GlcNAc利用的主要抑制因子，抑制DasR介导的GlcNAc信号级联反应，并导致红霉素生产菌（Saccharopolyspora
erythraea）发育转换和抗生素合成的一致性增强。编码diadenylate环化酶disA基因表达直接受DasR调控因子抑制，以响应GlcNAc信号，从而形成c-di-AMP合成自我维持的转录反馈环。本研究结果揭示了c-di-AMP的变构调节作用，它在细菌中的全局信号整合和c-di-AMP稳态中似乎发挥着重要作用，很可能在产生c-di-AMP的链霉菌中广泛存在。
图形摘要：c-di-AMP和GlcNAc信号串扰工作模型。该模型总结GlcNAc可用性变化过程中c-di-AMP水平变化及其对DasR活性信号作用，从而揭示DasR下游调控发育和抗生素生物合成的调控级联反应。箭头表示阳性对照。垂直线表示阴性对照。
研究结果：
（1）c-di-AMP影响GlcNAc利用率和GlcNAc触发响应
图1：液体TSB培养基中生长的野生型(WT)和DisA过表达(OdisA)菌株的disA基因转录水平和细胞内c-di-AMP浓度实验a. 在指数生长后期(48h)，检测了WT和OdisA菌株中disA基因的转录水平和细胞内c-di-AMP浓度。对WT菌株表达水平或c-di-AMP水平进行倍数变化表示。样品中的c-di-AMP浓度被标准化为干细胞重量。数据以平均值±标准差(SD)的形式呈现，每个生物学重复(n=3)。b. 30°C条件下，添加葡萄糖的液体TSB培养基中生长的S. erythraea WT和OdisA菌株的生长曲线。c. 同样条件下，WT和OdisA菌株的GlcNAc利用情况。实线表示生长曲线，虚线表示GlcNAc的利用情况。d-e. 在营养丰富的R2YE琼脂平板上生长168h的WT和OdisA菌株表型，包括在添加葡萄糖(d)或GlcNAc(e)情况。f-g． 通过SEM检查了在添加葡萄糖(f)或GlcNAc(g)的R2YE琼脂平板上生长72h的WT和OdisA菌株的形态。h. 高效液相色谱法(HPLC)对WT和OdisA菌株产生的红霉素进行定量分析。红霉素从在30°C下生长120小时的50 mlTSB培养基中的菌落中提取。
（2）GlcNAc敏感蛋白DasR是一种c-di-AMP效应蛋白
图2：c-di-AMP是DasR-DNA结合的变构激活剂。
（3）c-di-AMP诱导DasR与其靶标基因结合的整体结果
为在细胞内验证并扩展c-di-AMP的变构调节作用，研究人员利用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）来分析在红霉素产生菌Saccharopolyspora erythraea中c-di-AMP升高对DasR依赖的全基因组影响。野生型S. erythraea和DisA过表达菌株在TSB液体培养基中生长，并使用特定的抗DasR抗体进行ChIP-seq实验。每个菌株的总input DNA（非免疫沉淀）也进行测序。WT和OdisA信号在转录起始位点（TSSs）广泛分布，呈现出显著尖锐的单一peak（图3a）。与WT对照相比，OdisA菌株中约99% peaks表现出在DasR靶标启动子处ChIP-seq peaks高度增强，证实OdisA菌株中占有率升高（图3b）。总体而言，通过可视化和验证在高c-di-AMP水平暴露下相关基因的代表性结果，展示个别基因水平上ChIP-seq
peaks值变化（图3c）。对增强结合信号基因进行GO和KEGG通路分析，表明在抗生素生物合成过程、碳氮和丙酮酸代谢以及多样环境中的微生物代谢方面富集（图3d）。这些结果进一步证明c-di-AMP确实增强了DasR与其体内靶标基因的结合。DasR是GlcNAc信号中的GlcNAc效应蛋白和主要调控因子，直接抑制GlcNAc代谢基因表达。为直接检测这种对DasR介导抑制的增强，通过实时RT-PCR检测转录，对包括nagK、nagB-II、nagA、nagF和nagE2在内的GlcNAc同化相关基因进行验证。验证结果与ChIP-seq数据一致，所选基因的抑制在OdisA中显著增强（图3e）。然而ΔdasR::disA菌株结果表明，在dasR缺失条件下，c-di-AMP对GlcNAc同化相关基因的转录没有影响，表明c-di-AMP通过DasR调控GlcNAc同化。数据验证了先前结果，即过量c-di-AMP可抑制GlcNAc同化，从而影响GlcNAc向形态发育和次生代谢产物产生信号。这一分析有助于通过其与DasR的功能性关联，对c-di-AMP相对未知作用进行注释。
图3：c-di-AMP在体内刺激DasR介导对其目标调控子抑制。a. peak中心和转录起始位点(TSSs)±3kb处的ChIP-seq信号密度热图。红色表示信号低，蓝色表示信号高。b. 特定菌株中的ChIP-seq信号。c. 特定菌株中disA启动子区域的ChIP-seq信号IGV轨迹图。d. 网络中上调靶基因富集的GO和KEGG分析。e. 在液体TSB培养基中生长的S. erythraea WT、OdisA、ΔdasR和ΔdasR::disA菌株在晚期指数生长期(48h)的特定基因转录水平。倍数变化表示与WT菌株相比的转录水平。数据以平均值±标准差的形式呈现，实验设置3个生物学重复。使用普通单因素方差分析(ANOVA)进行统计检验。
（4）DasR通过直接转录抑制disA影响细胞内c-di-AMP水平
根据ChIP-seq分析，disA被鉴定为DasR的潜在基因靶标（图3c）。放线菌中的DasR响应元件（dre）在先前的研究中已被鉴定，并且在S. erythraea的disA基因上游区域鉴定出五个以上的推测dre位点（图4a）。为验证DasR是否可以直接结合disA上游区域，进行电泳迁移率变化分析（EMSA）。与纯化的His标记的DasR共孵育后观察到明显的条带迁移（图4b），表明DasR特异性结合disA启动子区域。随后使用野生型（WT）S. erythraea菌株、dasR缺失菌株（ΔdasR）、dasR补充菌株（CdasR）和过表达dasR的WT菌株（OdasR），来检测DasR是否对disA有调控作用。通过实时RT-PCR检测这四个菌株中的disA转录水平。如图4c所示，与WT菌株相比，dasR缺失导致了disA转录约增加三倍，dasR补充菌株中的disA转录水平与WT菌株相似，而过表达dasR的WT菌株中disA表达减少约60%。因此，DasR在S. erythraea中直接抑制disA转录。
细菌c-di-AMP合成由DisA的DAC活性催化。为研究DasR是否影响S. erythraea的c-di-AMP合成，作者分析了WT、ΔdasR、CdasR和OdasR菌株的细胞内c-di-AMP水平和总DisA DAC活性。与WT菌株相比，ΔdasR菌株细胞内c-di-AMP水平增加两倍以上，而OdasR菌株的c-di-AMP合成减少40%以上（图4d）。通过HPLC实验分析细胞提取物中的总DisA DAC活性，验证了c-di-AMP合成由DasR直接调控。结果与细胞内c-di-AMP水平一致，表明dasR缺失导致DisA DAC活性增加两倍（图4d）。因此，结合c-di-AMP诱导DasR-DNA结合变构激活的观察结果，综合数据揭示了细胞内c-di-AMP池的自反馈循环工作模型。
图4：DasR和GlcNAc影响S. erythraea中c-di-AMP合成。
（5）c-di-AMP 和 DasR 之间的变构调节在 S. coelicolor 中保守
图5：c-di-AMP与DasR互作在S.coelicolor中保守。a. 原核生物中DasR蛋白的系统发育分析。b. DasR响应元件(dre)S. coelicolor DasR和S. erythraea DasR的元件。c. S. coelicolor disA启动子区域的dre。d. 对S. coelicolor的disA启动子区域纯化的DasR的EMSA。e. c-di-AMP特异性刺激S. coelicolor DasR-DNA结合的EMSA。f. ITC对c-di-AMP与DasRSco互作进行表征。g. DasRSco与其靶基因disA启动子结合的EMSA。
参考文献：
YouD, Zhao LC, Fu Y, Peng ZY, Chen ZQ, Ye BC. Allosteric regulation by c-di-AMPmodulates a complete N-acetylglucosamine signaling cascade in Saccharopolysporaerythraea. Nat Commun. 2024 May 7;15(1):3825. pii: 10.1038/s41467-024-48063-0.doi: 10.1038/s41467-024-48063-0. PubMed PMID: 38714645.
