近日，中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授、陈宇星教授和江永亮副教授团队，利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了碳酸氢盐ABC转运蛋白CmpABCD在自抑制、激活以及封闭三种状态下的三维结构。基于结构分析、生化实验以及生理功能研究，团队系统阐明了蓝细菌中CmpABCD通过感知细胞内硝酸盐水平的变化，精准调控碳酸氢盐摄取并维持碳氮代谢平衡的分子机制。相关成果以“The molecular mechanism of the cyanobacterial bicarbonate importer CmpABCD activated by the intracellular nitrate”为题于2026年04月22日在线发表在《Nature Communications》上。

碳氮代谢平衡是维持细胞稳态的核心，也是微生物适应外界环境变化的基础。蓝细菌作为一种古老的光合自养型原核生物，通过复杂的调控网络协调无机碳与氮的吸收，维持细胞内碳氮平衡。研究团队此前研究解析了蓝细菌ABC家族硝酸盐转运蛋白NRT的三维结构及其调控机制，发现信号蛋白PII通过响应细胞内无机碳的水平精准调控NRT的硝酸盐转运活性，从而维持碳氮平衡（PNAS 2024; 121(11):e2318320121）。碳酸氢盐转运蛋白CmpABCD属于ABC转运蛋白家族的 Ⅰ 型importer，其整体结构模式与NRT相似。但与经典的ABC不同的是，CmpABCD的核苷酸结合蛋白CmpC的核苷酸结合结构域NBD（nucleotide-binding domain）额外融合了一个C-端调控结构域 (C-terminal regulatory domain, CRD)，推测可能调控CmpABCD的转运活性。然而，CRD的具体功能以及CmpABCD的精细调控机制此前尚不明确。

团队通过生化实验证实CRD特异性结合NO₃^-，并基于CRD与NO₃^-复合物的晶体结构，精确鉴定了NO₃^-的结合位点。进一步，研究人员通过单颗粒冷冻电镜技术解析了CmpBCD三种不同状态的三维结构。在无底物状态下，CmpBCD处于自抑制构象，CRD与两个NBD均有相互作用，形成稳定的三角形关系从而锁定NBD的构象（图1）。在硝酸盐存在时，CRD从两个NBD上解离，解除抑制，使CmpBCD进入激活状态，体内生理实验也表明硝酸盐能够激活CmpABCD的转运活性。而在Mg²⁺-ATP结合状态下，ATP诱导两个NBD相互靠近，驱动跨膜结构域（TMD）发生构象重排，关闭底物通道，形成封闭构象。

结合前期NRT的研究工作，团队提出蓝细菌碳氮协同转运调控的分子模型（图2）。当细胞处于缺氮状态（高C/N比）时，α-酮戊二酸积累并结合PⅡ蛋白，使其从NRT上解离，从而激活硝酸盐摄取并提高胞内硝酸盐水平。与此同时，较低的硝酸盐水平维持CmpABCD处于自抑制状态，减少碳酸氢盐摄入，从而降低胞内无机碳水平，恢复碳氮平衡。相反，在氮源充足（低C/N比）条件下，铵的积累抑制硝酸盐还原，导致胞内硝酸盐升高；硝酸盐结合CmpC的CRD并解除其对NBD的抑制，从而激活CmpABCD的碳酸氢盐转运活性，提升胞内无机碳水平。同时，PⅡ蛋白结合NRT并抑制其活性，进一步限制硝酸盐摄取。

中国科学技术大学周丛照教授、江永亮副教授和陈宇星教授为该论文的共同通讯作者，博士生李琴瑶、博士后李波和博士后周睿倩为该论文的第一作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成。该研究工作得到国家自然科学基金委、安徽省科技厅和中国科学技术大学的资助。

图1. CmpBCD的三维结构

图2. CmpABCD转运循环和调控模式图

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72153-w