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四碳二羧酸(DCA)是苜蓿根瘤菌(Sinorhizobiummeliloti)共生固氮过程中与植物相互作用的信号分子和驱动固氮过程的唯一碳源.S.meliloti的DCA转运和调控系统(Dct系统)是由dct操纵子编码的.dctA编码DCA转运蛋白，dctBD基因编码一个典型的二元调控系统，其中DctB蛋白是位于细胞内膜的信号感应蛋白.一般认为DctB蛋白感应细胞膜外DCA浓度，磷酸化转录激活蛋白DctD，DctD结合在dctA启动子上游，激活dctA基因的转录.本工作通过对DctA和DctB蛋白的结构，功能和相互作用的研究，深入探讨了Dct系统的信号转导机制和调控原理.
为理解DctB蛋白感应DCA浓度的分子机制以及信号跨膜转导的机理.本工作表达和纯化了DctB蛋白的膜外结构域(DctBp)，获得了分属C2，P21和P43空间群的蛋白晶体，并利用X-射线衍射的方法分别解析了各空间群晶体的蛋白三维结构.结构显示，DctBp单体可以划分为2个PAS结构域，其中远膜端(membranedistal)PAS结构域(mdPAS)为配体结合结构域，近膜端(membraneproximal)PAS结构域(mpPAS)功能未知.在C2的mdPAS中观察到了琥珀酸的结合，而P21和P43结构的同一区域被丙二酸占据.利用ITC(isothermaltitrationcalorimetry)法在体外对DctBp与丙二酸的结合进行定量测定，发现DctBp与丙二酸不能结合.生理学实验也证明DctB不感应丙二酸分子.所以P21和P43结构代表DctBp不结合DCA的状态，而C2结构代表DctBp结合DCA的状态.通过对配体结合结构域的定点突变实验确定了与配体结合相关的各重要氨基酸残基的生理功能.配体结合与不结合状态的对比显示，配体的结合除导致配体结合区域的构象变化外，并不导致DctBpN端和C端的显著移动，但配体结合引起的DctBp配体结合区域结构显著紧缩引发构成DctBp结构骨架的α螺旋结构发生相应的构象变化，直接改变了单体间的二聚界面，其结果是引起两个单体间旋转了大约20°.对参与单体间盐桥形成的Asp88，Asp89，Lys110以及Arg73的定点突变研究表明，二聚化状态决定蛋白的活性状态.鉴于二聚化对所有HK蛋白的活性都是是必需的，结合已有的研究成果，本论文提出了周质感应蛋白的跨膜信号转导模型，即配体结合介导的二聚界面转换模型，该模型指出信号的接收和转导发生在结构的不同层次：信号接收作用发生在单体之内，而信号转导过程发生在单体之间，依赖于单体间二聚状态的改变.
除感应DCA浓度以外,Dct系统的活性还受到氧分压的调控.本工作通过构建dctA缺陷操纵子和DctDAN1-142突变体，确定了DctB是氧分压的感应蛋白.
本工作表达和纯化了全长的DctA和DctB蛋白.对DctA蛋白的结晶条件进行了详细的筛选，成功获得了DctA蛋白晶体，为最终解析DctA蛋白结构奠定了基础.
一直有证据表明，DctA和DctB之间存在某种形式的相互作用.本工作以以下两点实验结果证明了这一猜想：第一，ITC测定表明，DctBp结合琥珀酸，苹果酸，草酰乙酸和天冬氨酸的解离常数大约在10μM至100μM范围.虽然延胡索酸也可以激活Dct系统，但其在生理浓度下并不直接结合DctB.这一结果直接证明了DctB蛋白对DCA浓度的感应是直接与间接方式并存的.第二，本工作成功地将纯化的DctA和DctB蛋白重新定位在膜结构上，利用电子显微镜技术观察到了DctA三聚体和DctB二聚体在膜结构上形成的复合体，直接证明了二者之间相互作用的存在.通过在dctA-背景下对不同的dctA-lacZY报告系统活性的测定，发现DctA蛋白膜外的第一和第二个loop区(PL1和PL2)可能参与了与DctB的相互作用.根据电子显微镜观察到的DctAB复合体的不对称现象，本论文提出了DctAB复合体利用结构的不对称性进行跨膜信号转导的模型。