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木糖是自然界中储量最丰富的五碳糖，是秸秆等木质纤维原料中除葡萄糖外最主要的糖组分。因此，木糖信号感应、转运及代谢对于微生物利用这类生物质至关重要，并且很多微生物的木糖转运和代谢能力比较弱，需要改善。近年来，微生物木糖代谢研究受到广泛关注，在代谢途径解析和改造方面取得了一些重要进展，但对于微生物如何感应外界木糖信号以及调控胞外木糖向胞内转运和负责这些工作的分子元件尚缺乏深入认识。本论文围绕这个主题，研究发现产溶剂拜氏梭菌中存在一个与木糖利用相关的六蛋白模块XylFII-LytS/YesN-XylFGH，进一步鉴定了该模块中一类新型的“三组分”木糖信号响应和调控系统，并对其分子机制进行了深入解析。 这个六蛋白模块包括预测的木糖ABC转运蛋白XylFGH、一对未知功能的双组分LytS/YesN和一个可能的木糖ABC转运蛋白的底物结合蛋白XylFII。我们首先对拜氏梭菌中该六蛋白模块的功能进行了分析。利用Targetron技术分别敲除xylFII，lytS，yesN，xylF，xylG和xylH基因，将得到的突变株进行木糖和葡萄糖发酵，发现与野生型相比，这六个敲除菌株以木糖为碳源时的糖利用和生长速率大大减慢，而以葡萄糖为碳源时的糖利用和生长速率不受影响，说明xylFII-lytS-yesN-xylFGH基因簇参与了菌株的木糖利用。异源功能互补和体内过表达实验表明，在预测的木糖ABC转运蛋白的两个底物结合蛋白中，只有XylF参与了木糖的转运，而XylFII可能与木糖利用的其它过程相关。 随后，我们深入研究了六蛋白模块中的双组分LytS/YesN参与木糖利用的调控靶点和分子机制。报告系统和共转录分析显示，xyl FII-lytS-yesN-xyl FGH基因簇包含xylFII-lytS-yesN和xylF-xylG-xylH两个转录单元。进一步的转录分析和EMSA实验发现，紧随lytS-yesN转录单元的xylFGH是LytS/YesN的下游调控靶点，YesN磷酸化后可以直接结合在xylFGH的启动子区域以正调控其转录。通过高分辨率S1-mapping和DNaseⅠ footprinting实验发现YesN可以结合在xylFGH启动子-35区上游42bp长的DNA序列，可能起到了招募RNA聚合酶的作用以正调控xylFGH的转录。 研究结果还显示，木糖可以大幅度提高LytS/YesN的靶基因xylFGH的转录和表达，可能是LytS/YesN响应的信号。但是组氨酸激酶LytS并没有明显的信号感受结构域，其胞外结构域也不能直接与木糖分子相互作用。细菌双杂交、pull-down和ITC实验表明，XylFII的胞外结构域可以直接与LytS的胞外结构域及木糖分子相互作用。同时，xylFII和yesN的敲除菌株与野生型相比，转运蛋白基因xylFGH的转录和表达水平均下调。说明XylFII和双组分调控系统LytS/YesN在同一条信号通路上，三者构成了一种新型的“三组分”系统来完成对环境中木糖信号的感应、传导和对下游木糖ABC转运蛋白XylFGH的调控。有趣的是，已经测序的厚壁菌门细菌中约10％(56/574)的细菌含有与拜氏梭菌xylFII-lytS-yesN-xylFGH同源的基因簇，说明这个六蛋白模块在厚壁菌门细菌中广泛存在，具有普适性。 木糖转运到胞内后将进行代谢，实验证明预测的木糖代谢途径中三个木糖异构酶基因xylAi、 xylAII1、xylAII2和一个木酮糖激酶基因xylB均能分别表达相应的产物，但在三个木糖异构酶中XylAII1和XylAII2发挥了更重要的作用。EMSA实验发现，木糖途径特异性调控因子XylR可以结合到xylAI、 xylAII2和xylB的启动子区域以抑制其转录，而木糖可以部分解除XylR对这些基因的转录抑制作用。 综上所述，本论文对拜氏梭菌xylFII-lytS-yesN-xylFGH基因簇的功能进行了深入研究，首次解析了“XylFII-LytS/YesN”三组分系统感受胞外木糖信号及调控木糖转运的分子机制，并对其过表达提高了菌株的木糖利用和产溶剂能力;进一步鉴定了木糖异构酶和木酮糖激酶基因及其受XylR调控的机制。这些研究结果加深了我们对拜氏梭菌木糖信号感受、转运及代谢调控网络的认识，发现的木糖信号响应元件也为合成生物学研究中木糖信号通路的构建及优化奠定了基础。