DeoR (deoxyribonucleoside operon repressor)蛋白家族是一类广泛存在于细菌中的转录调控因子，大肠杆菌(Escherichia coli) DeoR蛋白作为该家族首个被鉴定的成员，因具有阻遏deo操纵子(deoxyribonucleoside operon)转录表达的作用而得名^[1–3]。早期关于DeoR蛋白的研究主要集中在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中，其功能主要负责调控细胞中核苷酸类代谢和糖类代谢途径^[3–16]。近年来，其他细菌来源的DeoR蛋白也逐渐得到关注，扩展了该家族蛋白的调控功能和分子机制。例如，致病菌来源的DeoR普遍具有调控毒力的功能^[17–21]，而链霉菌来源的DeoR蛋白具有普遍的调控次级代谢的功能^[22–25]。

目前已经鉴定的DeoR同源蛋白的数量仍然有限(表 1)，且调控机制缺少深入地解析，尚有大量未知的DeoR家族成员亟待研究。本文综述了DeoR家族转录调控因子的结构特征、调控功能以及识别的靶序列和响应的配体分子，并结合本实验室在糖多孢红霉菌(Saccharopolyspora erythraea)中开展的DeoR初步研究工作，以期为深入研究DeoR家族蛋白的调控模型和分子机制提供参考。

1 DeoR蛋白的结构特征

DeoR蛋白单体通常包含240–260个氨基酸，主要由N末端DNA结合结构域和C末端配体结合结构域组成^{[6, 10]}。N端DNA结合结构域包含一个保守的螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix，HTH)结构基序，其中螺旋2具有相对保守性，而螺旋1则表现出较大的序列变异性^{[6, 10]}。与大多数调控蛋白类似，DeoR蛋白是通过结合启动子DNA的特定序列来调控靶基因的转录表达，具有转录抑制和转录激活双向调节作用^[22]。

C末端结构域主要负责蛋白寡聚化和配体结合，其配体通常来源于相应代谢途径的磷酸化中间体，配体的结合能够导致DeoR蛋白的空间构象发生转变，进而影响蛋白与DNA的结合活性^{[5, 30]}。除了常见的二聚体形式外，DeoR蛋白还能够形成四聚体和八聚体等高聚状态而发挥调控作用^{[6, 10, 30]}。DeoR蛋白聚合状态的转换与其结合DNA的活性密切相关，例如大肠杆菌中DeoR家族蛋白UlaR通过抑制ula操纵子的表达阻碍L-抗坏血酸的合成，而L-抗坏血酸6-磷酸作为配体，能够诱导UlaR由结合DNA的四聚体构象转换成不结合DNA的二聚体构象，导致UlaR与DNA的解离^[30]。

目前只有很少的DeoR家族蛋白的晶体结构被解析，枯草芽孢杆菌中CggR是DeoR家族蛋白中第一个结构信息被解析的成员，CggR-C端结构域分别实现了与配体果糖-1, 6-磷酸(F-1, 6-P)、磷酸二羟丙酮、葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)和果糖-6-磷酸(F-1-P)的共价复合形式的晶体结构^[9–10]；相比较CggR-C端结构域的单体形式，配体分子结合时，至少能够影响2个或2个以上的二聚体界面状态而改变CggR寡聚体的形成，不同的配体对CggR寡聚体状态的影响程度并不一样^[10]。枯草芽孢杆菌中另一DeoR蛋白的C端配体结构域单体形式，以及与其配体脱氧核糖-5-磷酸(dRib-5-P)共价复合形式的晶体结构也获得解析，分析发现dRib-5-P通过Schiff碱基与Lys141残基直接发生相互作用^[6] (图 1)。

2 DeoR蛋白的调控功能

根据已经鉴定的DeoR蛋白的调控功能表明，DeoR既可作为局部的特异性调控因子^{[11, 14]}，也可作为全局的多效性调控因子^{[21, 29]}。DeoR蛋白能够以转录抑制和转录激活2种方式，参与调控细胞内多个生理过程，主要包括核苷酸类代谢、糖类代谢、病原细菌的致病性和链霉菌的次级代谢等。调控功能的多样性和复杂性暗示着DeoR家族转录调控因子在原核生物调控网络中具有十分重要的地位，下面将从调控功能和作用机制等角度展开详细介绍。

2.1 DeoR蛋白调控核苷酸类代谢

核苷酸是合成生物大分子核糖核酸(RNA)及脱氧核糖核酸(DNA)的前体物质，在细胞内分布广泛，参与多种代谢过程和生理调节。在大肠杆菌中，deo操纵子deoCABD负责编码核糖核苷和脱氧核糖核苷的分解代谢酶(deoC：编码脱氧核糖醛缩酶；deoA：编码胸苷磷酸化酶；deoB：编码脱氧核糖变位酶；deoD：编码嘌呤核苷磷酸化酶)，其上游的DeoR通过直接结合启动子区DNA抑制该操纵子的转录表达，从而调控细胞内核苷酸的代谢水平^[1–3]。在枯草芽孢杆菌中，DeoR同样能够直接调控其下游的dra-nupC-pdp操纵子(dra：编码羟核糖醛酸酶；nupC：编码核苷摄取蛋白质；pdp：编码嘧啶核苷酸去磷酸化酶)，从而影响细胞内脱氧核糖核苷和脱氧核糖的吸收利用^[4–5]。

2.2 DeoR蛋白调控糖类代谢

糖代谢在细胞内很多生化过程中都扮演了重要的角色，包括蔗糖、葡萄糖、果糖和半乳糖在内的多种糖类代谢受诸多调控因子的共同调节，这对宿主细胞感知外界环境变化和维持正常生命活动等具有重要意义。

柑桔螺旋体(Spiroplasma citri)中果糖操纵子(fructose operon)包括3个基因：fruR (编码DeoR家族同源蛋白)、fruA (编码果糖磷酸转移酶系统)和fruK (编码1-磷酸果糖激酶)，果糖的存在会大幅度提升果糖操纵子的转录水平。然而果糖对果糖操纵子的激活受控于FruR的调控作用，当fruR不表达时，果糖则无法激活果糖操纵子的转录，导致果糖的发酵水平显著降低^[7]。来源于格氏链球菌(Streptococcus gordonii)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)的FruR蛋白同样能够直接调控果糖操纵子的转录，然而与柑桔螺旋体不同的是，FruR对操纵子的调控模式为转录抑制，而非转录激活^{[8, 11]}。格氏链球菌中fruRKI位于同一个操纵子，fruR基因失活后导致fruRKI启动子-lacZ融合表达的β-半乳糖苷酶活性显著提高^[8]；乳酸乳球菌中fruRCA位于同一个操纵子，fruR基因失活后同样导致fruRCA启动子驱动的报告基因luxAB的表达大大增强^[11]。磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统(phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system，PTS)在葡萄糖转运和磷酸化过程中起重要作用，是糖代谢基因表达调控的核心^[35]。谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)果糖-PTS基因簇包括sugR-cg2116、ptsI、cg2118-fruK-ptsF和ptsH，其中sugR和cg2118都预测编码DeoR家族同源蛋白，SugR能够通过直接结合簇中的基因间隔区DNA而调控果糖-PTS基因簇的表达^[12] (图 2)；另外，pstG和pstS分别编码PTS系统中葡萄糖特异酶Ⅱ和蔗糖特异酶Ⅱ，SugR通过直接调控ptsG和pstS基因的表达，影响细胞内葡萄糖和蔗糖的摄取吸收^[13] (图 2)。枯草芽孢杆菌中另一DeoR家族基因rhaR位于rhaEWRBMA操纵子中，其中rhaEW、rhaB、rhaM和rhaA负责编码L-鼠李糖代谢的相关酶^[14]。研究表明，RhaR能够特异性结合rhaEW上游的启动子DNA，并且体内LacZ融合表达实验证实，rhaR的缺失能够引起rhaEW启动子的表达活性，说明RhaR对rhaEWRBMA操纵子的表达具有转录抑制的作用^[14]。肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)中具有2个乳糖操纵子：lac operon Ⅰ (lacABCD)和lac operon Ⅱ(lacTFEG)，其中lac operon Ⅰ编码塔格糖(tagatose)磷酸化途径的相关酶类^[15]。研究表明，当不存在乳糖或半乳糖时，DeoR家族蛋白LacR能够抑制lac operon Ⅰ的转录表达^[15]。来源于变形链球菌(S. mutans)中的LacR除了通过直接结合lacA的启动子DNA而调控乳糖代谢外，还参与调控变形链球菌中葡萄糖-PTS的活性和葡萄糖激酶的表达，具有更加广泛的调控作用^[16]。

2.3 DeoR蛋白调控致病菌毒力

伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi)是一种人类特有的病原体，其致病因子CdtB作为细胞致死性扩张毒素的活性亚基，能够引起DNA损伤，从而导致细胞周期的停滞和中毒细胞的扩增^[36]。研究表明，DeoR家族蛋白IgeR能够直接结合cdtB基因启动子，抑制cdtB在胞内的正常表达^[17]。福氏志贺菌(Shigella flexneri)是一种能引起人和动物腹泻的致病菌，通过入侵和破坏结肠粘膜诱导强大的炎症反应^[37]。研究表明，DeoR家族基因icgR能够作为胞内生长调控因子(growth regulator)，当福氏志贺菌入侵人结肠上皮细胞HCT-8时，icgR的表达量显著下降约5.5倍；icgR的缺失引起上皮细胞内复制水平的提升，作为福氏志贺菌毒力的代表性标志，说明icgR具有参与调控志贺氏菌致病性的重要作用^[18]。变形链球菌属于口腔天然菌群中占比最大的链球菌属，是龋病的主要致病菌^[19]。变形链球菌中另一DeoR同源基因sppR位于sppRA操纵子中，sppA编码一种卤代酸脱卤酶(haloacid dehalogenase，HAD)超家族的水解酶^[38]。研究表明，SppR能够通过直接结合sppRA操纵子的启动子DNA而抑制操纵子的转录表达；细胞内果糖-1-磷酸积累时，会导致出现糖磷胁迫(sugar-phosphate stress)，而sppA的组成型表达或sppR的缺失，能够极大地缓解果糖诱导的糖磷胁迫，逆转果糖对变形链球菌生物被膜形成的作用，从而参与调控菌株的毒力行为^[19]。丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)是一种重要的植物致病菌，Ⅲ型分泌系统(type Ⅲ secretion system，T3SS)对其毒力具有至关重要的作用^[39]。研究表明，T3SS中相关基因的正常表达需要果糖和蔗糖等糖类作为诱导剂，DeoR家族基因setA缺失导致培养基中果糖等对T3SS的诱导表达作用显著下降，说明SetA对果糖等糖类诱导T3SS表达具有正调控作用^[20]；丁香假单胞菌感染拟南芥过程中，setA的缺失导致T3SS中相关基因的表达显著下降，且拟南芥叶片褪绿症状明显下降，说明SetA具有调控T3SS的表达而影响丁香假单胞菌致病性的作用^[20]。沙雷氏菌(Serratia sp.) S39006是一种植物和动物的条件致病菌，通过产生植物细胞壁降解酶，如纤维素酶和果胶酶来腐烂马铃薯块茎，亦可杀死秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)^[40]。研究表明，DeoR家族基因floR的缺失，导致半数秀丽隐杆线虫的致死时间从3 d延长至5 d，说明FloR对于沙雷氏菌的毒力具有正调控作用^[21]。

2.4 DeoR蛋白调控链霉菌次级代谢

链霉菌能够产生众多具有生物活性的次级代谢产物，具有重要的研究与应用价值，例如抗生素在控制感染、免疫调节和治疗癌症等方面发挥了重要作用。调控因子对次级代谢产物的调控途径和方式是复杂多样的，主要有2种水平的转录调控，分别为途径特异水平和全局水平(或多效水平)。目前关于DeoR家族转录调控因子调控链霉菌次级代谢以及形态分化的研究并不多。

SdrA (SAV3339)是阿维链霉菌(Streptomyces avermitilis)中已经鉴定的能够同时调控菌株形态分化和抗生素合成的DeoR家族蛋白^[22]。研究发现，阿维链霉菌中sdrA缺失后，菌株产孢量相比野生型下降58%；而sdrA缺失导致阿维菌素(avermectin)产量降低的同时，却提高了另外2种次级代谢产物寡霉素(oligomycin)和菲律宾霉素(filipin)的产量，说明阿维链霉菌中SdrA具有多效性的调控能力，且既可发挥正调控作用，也可发挥负调控作用^[22]。玫瑰孢链霉菌(Streptomyces roseosporus)中DeoR同源蛋白基因dptR2位于达托霉素(daptomycin)生物合成基因簇的相近位置，研究发现dptR2缺失后，菌株失去合成达托霉素的能力^[23]。然而DptR2并不作为达托霉素生物合成基因簇(dpt gene cluster)的途径特异性转录因子(也称为簇内调控因子，cluster pathway-specific regulator)，研究表明dptR2的缺失不影响dpt gene cluster的正常表达，DptR2蛋白也不结合dpt gene cluster的启动子DNA^[23]。不同于SdrA和DptR2，来源于不吸水链霉菌(Streptomyces ahygroscopicus)的DeoR同源蛋白WysR3，只调控菌株形态分化，却不影响次级代谢产物武夷霉素(wuyiencin)的产量^[24]。研究发现，wysR3基因缺失突变株能够在60 h时达到最大生物量，优先于野生菌株约12 h，这对于工业应用中减少生产时间和成本具有重要的应用价值^[24]。根据生物信息学分析显示，天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor) SCO1463编码一个在整个链霉菌属中高度同源的DeoR蛋白^[25] (图 3)。研究表明，SCO1463缺失后，菌株形态分化和菌体生长显著下降，次级代谢物放线紫红素(actinorhodin)和十一烷基灵菌红素(undecylprodigiosin)产量明显下降，而初级代谢物丙酸和琥珀酸等有机酸的合成量显著上升，说明天蓝色链霉菌中DeoR蛋白同样具有多效性的调控能力^[25]。

近期，笔者实验室发现糖多孢红霉菌中SACE_4164预测编码一个DeoR家族蛋白，SACE_4164是糖多孢红霉菌中与SCO1463同源性最高的成员，且进化树分析显示二者亲缘性较近(图 4)。研究发现，糖多孢红霉菌中SACE_4164缺失后，次级代谢物红霉素A的产量显著下降，说明SACE_4164对红霉素A的合成产量具有正调控作用，然而其具体的分子调控机制有待进一步阐明。

2.5 DeoR蛋白其他调控功能

除上述调控功能外，DeoR家族蛋白还可参与调控一些其他的生理过程，简述如下：嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia) SmQnrR能够调控菌株对喹诺酮和四环素的耐药性^[27]；铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) GlmR调控菌株对氨基糖苷类、内酰胺类和氟喹诺酮类等多种抗生素的敏感性^[28]；大肠杆菌DeoT参与调控麦芽糖转运、脂肪酸氧化和多肽降解等^[29]，UlaR调控L-抗坏血酸的转化利用^[30]；谷氨酸棒状杆菌SugR调控L-缬氨酸产量^[26]，SucR调控琥珀酰辅酶A合成酶的转录表达而影响乙酸代谢^[31]；枯草芽孢杆菌YcnK调控胞内铜的消耗吸收^[32]；耐金属贪铜菌(Cupriavidus metallidurans) GlpR调控菌株对有毒锌浓度的适应性^[33]；屎肠球菌(Enterococcus faecium) CitⅠ调控柠檬酸代谢^[34]。

3 DeoR蛋白的靶序列和配体 3.1 DeoR蛋白结合的靶序列

与大多数转录调控因子的调控机理类似，DeoR蛋白是通过识别启动子DNA中具有保守性的特定序列来调控靶基因的转录表达，因而解析调控蛋白作用DNA的精确结合序列对于全面地认知调控蛋白的分子机制模型具有重要的意义。DNase Ⅰ能够独立地切割DNA两条链的磷酸骨架，不能切割到有蛋白质结合区域的DNA序列，利用这一原理发展而来的DNase Ⅰ足迹法(DNase Ⅰ footprinting assay)，成为一种测定结合蛋白在DNA上准确结合位点的技术，可以精确到单碱基水平，目前广泛应用于解析转录调控因子结合DNA的精确保守位点^[41]。

经DNase Ⅰ足迹法分析，大肠杆菌中DeoR识别的保守结合序列为一段16 bp回文序列(5′-TGTTAGAATTCTAACA-3′)，具有典型的发卡结构特征^[3]；枯草芽孢杆菌中DeoR结合的是一段43 bp的DNA序列(5′-AACTTGTATACATTTAACCATTAACTTTAAAACAAGTTA-3′)，兼具回文和重复序列的特征^[5]；谷氨酸棒状杆菌中SucR的保守结合位点为sucCD基因的起始密码子上游–155至–146的DNA序列(5′-A CTCTAGGGG-3′)，该序列位于预测的启动子–35区和–10区之间^[31]；枯草芽孢杆菌中YncK的保守结合位点为一段16 bp的直接重复序列(5′-CACATTTTCACATTTT-3′)，该序列位于预测的yncK基因启动子区–65至–50的位置^[32]；玫瑰孢链霉菌中DptR2能够直接结合自身基因的起始密码子上游两段DNA序列：–183至–223的区域(包含5′-ATCGATCAGGATCGAT-3′)和–10至–46的区域(包含5′-AACGACACAGTTCGAT-3′)，这两段序列中都包含具有显著反向互补特征的DNA序列^[23]；枯草芽孢杆菌中RhaR直接作用的序列也包含两段：转录起始位点上游–57至–15的位置(5′-CAAAAATAAACAAAAACGATTCAAAAACAAACAGAAATCAT-3′)和转录起始位点上游–5至编码序列20的位置(5′-ATATAATGAAAACGGATACAAATAAAAGGG-3′)，这2段序列都具有直接重复的特征^[14]；变形链球菌中LacR的保守结合序列为一段富含AT的DNA序列(5′-ATAATACCAAAA ATGTTTAAAAAATAAACAAAAATGTGTTGATTTTTTAA-3′)，该序列位于lacA基因起始密码子上游–78至–127区域^[16]；

除DNase Ⅰ足迹法外，也可通过已经解析的同源蛋白的保守结合序列进行比对分析，再结合位点突变验证等方法而鉴定目的蛋白的保守结合序列，例如，乳酸乳球菌中FruR结合的保守序列为4个相邻的10 bp直接重复序列(5′-TGAWWGWTTT-3′)^[11]；谷氨酸棒状杆菌中SugR能够识别两段21 bp序列：motif A (5′-ACAAACAAACACATATCAACA-3′)和motif B (5′-ACAATCGGAACCAAAACAACA-3′)，motif A和motif B在5′-端和3′-端具有高度的保守性^[12]。

3.2 DeoR蛋白响应的配体

DeoR蛋白C末端区域除了负责蛋白寡聚化以外，还是蛋白结合配体分子的结构域。大量研究表明，DeoR家族的配体通常是其调控的相关代谢途径的磷酸化中间体，这些配体分子与C端结构域的关键氨基酸相互作用，从而介导蛋白的空间状态发生转换或改变蛋白与DNA的结合活性，在调控相关代谢途径中发挥“分子开关”的作用。

大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中DeoR调控相关核苷酸代谢时，能够响应dRib-5-P作为配体，dRib-5-P能够解离DeoR蛋白与靶点DNA的结合，诱导相应操纵子的表达，而枯草芽孢杆菌DeoR对脱氧核糖-1-磷酸(dRib-1-P)也有较微弱的响应能力^{[1, 5]}。柑桔螺旋体和乳酸乳球菌中FruR都能够调控果糖操纵子的表达，经体内实验证实果糖-1-磷酸(F-1-P)为FruR的配体分子，而非F-1, 6-P ^{[7, 11]}。谷氨酸棒状杆菌中SugR调控果糖-PTS基因簇的表达时，除响应亲和力最高的配体F-1-P，还能够响应F-1, 6-P和G-6-P ^[12]。变形链球菌中SppR对配体F-1-P和果糖-6-磷酸(F-6-P)的响应能力较强，对F-1, 6-P的响应能力较弱^[19]；而变形链球菌中另一DeoR蛋白LacR除了响应F-1-P和F-6-P外，还能够响应乳糖-6-磷酸(Gal-6-P)作为配体^[16]。枯草芽孢杆菌中RhaR调控L-鼠李糖代谢时，能够响应其代谢中间体L-鼠李糖-1-磷酸(L-rhamnulose-1- phosphate)作为配体，抑制RhaR与靶点DNA的结合活性^[14]。大肠杆菌中UlaR的配体分子为L-抗坏血酸-6-磷酸(L-ascorbate-6-P)，添加L-ascorbate-6-P能够促使UlaR蛋白由结合DNA的四聚体状态转换成不结合DNA的二聚体状态，并鉴定UlaR与配体L-ascorbate-6-P发生作用的关键氨基酸为Asp206和Lys209 ^[30]。

亦有少量DeoR蛋白响应的配体为非磷酸化分子。枯草芽孢杆菌中YcnK调控胞内铜的消耗吸收时，能够响应铜离子螯合剂作为配体，例如CuCl₂的添加能够促进YcnK与靶点DNA的结合活性^[32]。而耐金属贪铜菌以甘油分子作为配体，介导GlpR调控菌株对锌和镉耐受性^[33]。

4 结语与展望

从调控范围的宽泛性来看，在细菌复杂而庞大的调控网络中，DeoR家族是非常重要的成员，在核苷酸类代谢、糖类代谢、致病菌毒力以及链霉菌次级代谢中都发挥着不可或缺的调控作用。DeoR家族蛋白的这种功能多样性，不仅有利于在理论上全面深刻地认知细菌完整的分子调控网络，而且有利于挖掘开发相关DeoR调控元件应用于实际的生产和生活。例如，DeoR能够响应某些磷酸化糖类作为配体，利用这一特性，可以通过调控元件改造开发出高通量的生物传感器系统，用于高效检测样品中特定糖类的含量。

目前细菌中DeoR家族的研究已经取得一定的进展，但是相对于其他研究较为成熟的转录因子家族，如TetR、MarR和LuxR等，其调控功能和机制的研究还不够深入，宿主菌的范围亦有待拓展。例如链霉菌来源的DeoR蛋白已经明确具有调控抗生素合成产量和菌株形态分化的重要功能，然而具体的调控机制有待深入的研究：除了DptR2，其他DeoR蛋白能否直接控制抗生素合成和形态分化相关基因的转录；DeoR是否通过协调响应某些抗生素合成所需的糖类衍生物最终控制抗生素的生物合成；DeoR能否与其他调控系统形成相互依赖、逐级调节的调控网络等等；又如目前只有枯草芽孢杆菌中2个DeoR蛋白的结构信息得到解析，并不足以清晰地认知DeoR蛋白结构与功能的关系，对于全面阐明DeoR的空间构象特征以及与DNA和配体相互作用的具体分子模型是远远不够的。除此之外，仍有很多问题需要进一步研究。