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傳統(tǒng)中藥山茱萸馬錢苷合成通路的進化起源獲揭示
作者：朱漢斌  來源：中國科學報
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廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心研究員晏石娟團隊聯(lián)合來自中國科學院上海高等研究院、復旦大學、德國馬普分子植物生理研究所等多個研究團隊，首次從分子層面揭示了鋅簇轉錄因子AflR如何作為“總開關”協(xié)同激活整個黃曲霉毒素生物合成通路，成功解決了長期困擾該領域的科學難題。相關成果近日在線發(fā)表于《自然-通訊》。
黃曲霉毒素作為自然界中毒性最強的化合物之一，主要污染玉米、花生等農(nóng)產(chǎn)品，具有極強的致癌性。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有4.5億噸糧食因真菌毒素污染而無法食用，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，更嚴重威脅著人類的食品安全。因此，深入理解黃曲霉毒素生物合成的分子調(diào)控機制，成為開發(fā)精準防控策略的關鍵前提。
AflR是黃曲霉毒素生物合成基因簇的主調(diào)控因子，其缺失會導致毒素產(chǎn)量降低90%以上，堪稱黃曲霉毒素合成的“總開關”。遺傳學研究表明，AflR需同時調(diào)控合成基因簇中約17個生物合成基因，包括ver1、vbs、norA等關鍵酶基因。然而，這些基因的啟動子含有不同的DNA序列變異，這引發(fā)了一個核心科學問題：AflR如何在識別多樣化DNA序列的同時保持調(diào)控特異性？
20多年前，前人研究就已發(fā)現(xiàn)AflR能結合DNA回文序列，但由于其缺乏典型鋅簇蛋白用于二聚化的螺旋結構，其識別機制一直是個未解之謎。闡明這一機制，不僅是轉錄調(diào)控領域的基礎科學問題，更是理解黃曲霉毒素合成調(diào)控網(wǎng)絡的關鍵環(huán)節(jié)。
在國家自然科學基金等項目的資助下，研究團隊對AflR-DNA結合結構域（AflR-DBD）與三個黃曲霉毒素合成關鍵基因（ver1、vbs和norA）啟動子的相互作用展開了系統(tǒng)性研究。通過圓二色譜、NMR波譜和微秒級分子動力學模擬，研究團隊發(fā)現(xiàn)AflR-DBD具有獨特的“部分無序”特征：中心的鋅簇基序保持穩(wěn)定結構，而兩側N端和C端區(qū)域則高度柔性。NMR弛豫實驗進一步表明，即使與DNA結合后，末端區(qū)域仍保持顯著的構象可塑性，這與傳統(tǒng)的“剛性結合”模型截然不同，為理解其多靶點識別能力提供了結構基礎。
同時，研究團隊通過電泳遷移實驗和等溫滴定量熱法證實，兩個AflR-DBD單體以倒位方向分別識別兩個CG半位點。系統(tǒng)的DNA突變分析顯示，ver1啟動子的典型倒位序列與vbs、norA啟動子的變異序列均能被有效識別，但直接重復序列則完全喪失結合能力。這種單體化倒位識別模式既保證了對黃曲霉毒素基因簇核心序列的特異性，又允許對啟動子變異的適應性。
分子動力學模擬結合NMR滴定實驗進一步揭示，鋅簇基序提供“錨定”功能識別CG位點，而柔性末端則通過構象調(diào)整建立與不同DNA序列的分布式接觸。定量電泳遷移實驗實驗證實，結合位點突變對不同黃曲霉毒素基因啟動子的影響差異顯著，直接驗證了序列適應性機制。
基于上述研究，團隊提出了“動態(tài)錨定”識別模型，并揭示了“有序-無序”協(xié)同識別機制代表了轉錄因子-DNA相互作用的新范式。該模型從分子層面闡明了AflR如何同時調(diào)控黃曲霉毒素生物合成基因簇中的多個基因：階段I為啟動子掃描，柔性末端區(qū)域通過瞬時弱相互作用快速掃描黃曲霉毒素基因簇的多個啟動子區(qū)域；階段II為特異性錨定，結構化鋅簇基序精確識別并穩(wěn)定結合CG核心序列；階段III為適應性優(yōu)化，無序區(qū)域根據(jù)不同啟動子的序列差異進行構象調(diào)整，通過分布式接觸網(wǎng)絡優(yōu)化每個靶基因的結合穩(wěn)定性。
該研究建立的整合NMR、分子動力學模擬和生化驗證的研究體系，可推廣至其他真菌毒素調(diào)控因子的機制解析。研究明確了AflR參與不同DNA結合的關鍵位點，為開發(fā)靶向抑制黃曲霉毒素合成的高選擇性抑制劑提供了結構基礎和靶點，為推動黃曲霉毒素污染源頭防控策略的開發(fā)提供了重要的理論基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63926-w
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