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中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心和生命科学学院教授周丛照、陈宇星课题组，与中科院水生生物研究所教授张承才课题组合作，揭示了蓝藻全局性转录因子NdhR调控碳氮代谢平衡的分子机制。该研究成果以《Coordinating carbon and nitrogen metabolic signaling through the cyanobacterial global repressor NdhR》为题，发表在《PNAS》期刊上。

碳氮代谢是生物生存和生长的基础过程，微生物通过精细调控碳氮代谢平衡以适应不同的环境条件。蓝藻作为地球上古老的自养光合生物，是研究碳氮代谢的重要模式生物。通常情况下，光合作用的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RubisCO）能够利用二氧化碳（CO2）生成3-磷酸甘油酸（3-PGA），随后进入三羧酸循环生成α-酮戊二酸（2-OG）。2-OG作为碳骨架，与氮源进一步合成氨基酸等重要分子。然而，当CO2浓度不足时，RubisCO会利用氧气（O2）生成2-磷酸乙醇酸（2-PG）。研究发现，2-OG和2-PG的浓度在蓝藻中呈负相关关系，并可作为碳氮平衡的指示剂。

研究团队通过X-射线晶体学技术，解析了蓝藻碳代谢全局性转录抑制子NdhR的三维结构，这是首个被解析的LysR家族转录抑制子全长蛋白结构。实验表明，2-OG和2-PG分别是NdhR的协同抑制子和诱导子。当蓝藻内氮浓度偏低时，2-OG浓度升高，NdhR与2-OG结合后，其与DNA启动子区域的亲和力增强，从而抑制碳转运相关基因的转录，维持碳氮代谢平衡。而当蓝藻内碳浓度偏低时，2-PG浓度升高，NdhR结合2-PG后发生构象变化，从启动子区域释放，其抑制作用被解除，碳转运相关基因大量表达，最终实现碳氮平衡。

该研究揭示了LysR家族转录抑制子的全新调控机制，并阐明了蓝藻如何通过单个转录因子对代谢产物的响应来维持体内碳氮代谢平衡的分子机理。这一发现加深了对微生物代谢平衡的理解，为进一步研究微生物代谢调控提供了新思路。

此外，研究团队还利用分子动力学模拟技术对相关机制进行了深入分析，该部分工作得到了中国科大生命科学学院教授张志勇的支持。晶体数据的采集则在上海光源完成。研究工作获得了国家自然科学基金委重点项目、中科院战略性先导科技专项和科技部项目的资助。