中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心和生命科學學院教授周叢照、陳宇星課題組，與中科院水生生物研究所教授張承才課題組合作，闡明了藍藻全局性轉錄因子NdhR通過結合不同的代謝小分子，快速響應環境變化，協同調控碳氮代謝的分子機制。該研究成果以Coordinating carbon and nitrogen metabolic signaling through the cyanobacterial global repressor NdhR為題，發表在PNAS上。
碳氮代謝是各種生物生存和生長所必需的，而微生物通過精細調控碳氮代謝平衡來適應不同的生長環境。藍藻是地球上古老的自養光合生物，有些能夠分化出異形胞進行固氮作用，是研究碳氮代謝的模式生物。正常情況下，光合作用的關鍵酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶RubisCO能夠利用CO2生成3-磷酸甘油酸，并進入三羧酸循環生成alpha-酮戊二酸（2-OG），而2-OG可以作為碳骨架與氮源進一步合成氨基酸等重要分子。在CO2缺乏時，RubisCO則利用O2生成2-磷酸乙醇酸（2-PG）。因此2-OG和2-PG在藍藻中的濃度是負相關的，二者可以作為碳氮平衡的指示劑。
研究人員利用X-射線晶體學手段，解析藍藻碳代謝全局性轉錄抑制子NdhR的三維結構，這是目前解析的第一個LysR家族轉錄抑制子全長蛋白的結構。通過大量的生化篩選，發現2-OG和2-PG分別是NdhR的協同抑制子和誘導子。結合結構生物學、生物化學和微生物遺傳學實驗，發現藍藻中氮濃度偏低時，2-OG濃度升高，NdhR與2-OG結合后與DNA啟動子區域的親和力增強，從而抑制碳轉運相關基因的轉錄，以維持藍藻內的碳氮平衡。當藍藻內碳濃度偏低時，2-PG濃度升高，NdhR結合2-PG后構象發生變化，從啟動子區域釋放下來，其抑制子活性被解除，碳轉運相關基因大量表達，進而實現碳氮平衡。
該工作闡明了LysR家族轉錄抑制子的一種全新調控機制，并揭示藍藻利用單個轉錄因子對代謝產物的響應來維持體內碳氮代謝平衡的分子機理，加深了對微生物代謝平衡的理解。分子動力學模擬部分的工作得到了中國科大生命科學學院教授張志勇的幫助，晶體數據收集在上海光源完成。
研究工作得到了國家自然科學基金委重點項目、中科院戰略性先導科技專項和科技部項目的資助。