近日，中国科学院微生物研究所郑艳宁研究团队在Cell Reports发表题为“Formation of NifA-PII complex represses ammonium-sensitive nitrogen fixation in diazotrophic proteobacteria lacking NifL”的研究论文，该研究揭示了氮调控蛋白PII对固氮酶转录活化子NifA在转录和翻译后水平的调控机制，进一步加深了对固氮微生物如何响应环境中的氮水平并调控微生物固氮过程的理解，有助于发展更加高效的微生物固氮技术，推动化肥减施与绿色农业的可持续发展。
微生物固氮过程是由固氮酶催化完成的，作为地球上最复杂的金属酶之一，固氮酶的表达和分子成熟过程受到环境氮水平的严格调控，限制了微生物固氮过程的持续高效进行。NifA是固氮酶基因簇的转录活化子，但其自身转录和翻译后调控机制尚不清楚。
研究团队通过多组学分析，蛋白结构解析与模拟，以及体内遗传和体外生化功能验证等手段，发现在具有固氮功能但缺乏NifL蛋白的变形菌中，不同的PII蛋白通过尿苷酰（UMP）化修饰来介导其与NifA的相互作用。在高铵培养条件下的沼泽红假单胞菌中，未UMP化的PII蛋白GlnK1结合NifA，形成无活性的NifA-GlnK1复合物，进而抑制固氮酶的表达。而在低铵或固氮条件下，UMP化修饰的PII蛋白GlnK2UMP由于空间位阻无法与NifA进行结合，进而使NifA能够形成有活性的六聚体，同时GlnK2UMP显著促进了NifA的表达，从而进一步提升了固氮酶的表达水平和微生物固氮速率。
图1. 沼泽红假单胞菌的固氮酶表达调控模型示意图
中国科学院微生物研究所特别研究助理曾艳为本文第一作者，中国科学院微生物研究所郑艳宁研究员为本文通讯作者。中国科学院微生物研究所向华研究员、李德峰研究员、朱雅新高级实验师以及哈佛医学院高永强博士等对本研究给予了大力支持。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114476
