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王忆平课题组在《核酸研究》、《自然•微生物学》发表系列论文
日期: 2016-12-14       点击量: 1584

当生物体受到环境胁迫(如营养缺乏,药物中毒等)时,其细胞内部的基本生命活动(如主管蛋白质翻译的核糖体)如何应对环境变化调节其自身活性,是生命科学领域的重要研究课题。在微生物领域,对大肠杆菌的相关研究将有利于人们在认识生命现象的同时,揭示抗生素等抑制剂对细菌生长的作用机制,掌握控制及杀灭病原微生物的方法,以应对耐药细菌对人类日益增长的威胁。

常言道“百足之虫死而不僵”,那么如果是大肠杆菌这样的单细胞生物,它又是如何“不死”的呢?对于细菌来说,蛋白质占其干重的60%到80%,消耗细菌2/3的能量支出,促使细菌将最主要的代谢与能量资源用于其蛋白质合成。因此蛋白质合成在细菌生长中处于核心环节,通过定量研究细菌的蛋白质合成,将有利于理解细菌是如何在不利环境下保持其自身活力的“星星之火”,度过艰苦岁月,并且在环境改善时恢复活力。核糖体是负责合成蛋白质的“工人”。蛋白质的合成速率一般认为取决于两个指标即核糖体的含量(工人数量)以及单位核糖体的翻译延伸速率(工人工作速度)。

在技术方面,目前已有的针对细菌核糖体翻译延伸速率的测定方法有相当的局限性,不适合定量生物学,特别是体内实时定量生物学的发展。为此王忆平课题组首先在2016年10月5日在《核酸研究》(Nucleic acids Research)发表了题为“Real time determination of bacterialin vivoribosome translation elongation speed by LacZα complementation system” (http://nar.oxfordjournals.org/content/44/20/e155)的研究论文。该论文建立了一种基于著名的beta-半乳糖苷酶互补系统(complementation system)的方法,用来实时的测定细菌翻译延伸速率。该方法通过将不同目的基因的末端与一个小的β-galactosidase 阿尔法片段(编码β-galactosidase N端起始60个氨基酸)融合,通过测定加入诱导物IPTG后新生融合蛋白的初始产出时间,测定报告基因产物β-galactosidase 阿尔法片段的初始产出时间,从而推导出不同基因的翻译延伸速率。该方法快捷简单,解决了已有的两种方法即同位素示踪法(需要双同位素标记以及2-D电泳分离,非常繁琐耗时)以及LacZ诱导法(只能测定LacZ单个基因的数据)的局限性,具有较高的实用性。

图1. 不同营养条件下,细菌核糖体的活性比例与生长速率的定量关系

图2. 活性核糖体调控的模型,较好营养情况下,胞内ppGpp水平较低,IF2介导的翻译起始能够顺利进行,大部分核糖体可以顺利进入翻译延伸过程;在较差营养情况下,胞内的ppGpp水平大大提高,抑制了IF2介导的翻译起始步骤,使得没有进入翻译起始的70S核糖体单体大大增加,造成活性核糖体比例降低。

在理论方面,王忆平课题组与美国加州大学圣地亚哥分校定量生物学中心Terence Hwa课题组合作在《自然•微生物学》(Nature Microbiology)以长文(Article)的形式发表了题为“Reduction of translating ribosomes enablesEscherichia colito maintain elongation rates during slow growth”(http://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016231)的学术论文。该论文在系统定量生物学的框架下,结合经典的细菌生理学,生物化学,分子生物学以及定量蛋白质质谱的手段,系统地研究了细菌在数十种营养条件下以及抗生素胁迫下,指数期蛋白质翻译效率的两个关键指标即核糖体的含量以及核糖体的翻译延伸速率。发现在极其不利的逆境情况下(如贫瘠营养以及抗生素胁迫下),细菌依旧保持了较高的核糖体翻译延伸速率(工人工作速度)以及核糖体的含量(工人数量)。但是与在较好营养条件下相比一个明显的区别在于,细菌将大部分核糖体(工人)处于非活性状态(“工人不上岗”)(参见图1的定量结果,以及图2的调控模型)。这样一旦生长条件恢复正常,细菌就可以节省出大量新生核糖体的合成时间,立即启动核糖体活性上调程序(工人全面开工模式),恢复细菌的快速生长。

该研究阐明在生理条件下,活性核糖体比例(核糖体“上岗率”)也应该作为决定细菌蛋白质翻译和生长速率的一个计算参数,从而可以定量理解和预测细菌在生理条件下尤其是各种严苛环境下的生存策略(如生态环境中的贫瘠营养情况以及在应对体内抗生素攻击情况),揭示了细菌应对环境变化“能屈能伸”的鲁棒性(robustness),即使环境极其恶劣其细胞内部也保有充沛精力(核糖体数量),并时刻准备着环境改善的时机到来。

北京大学生命科学学院博士研究生朱曼璐(2011级PTN)为《核酸研究》论文的第一作者,博士研究生戴雄风(2011级)与王忆平教授为该论文的共同通讯作者,相关研究得到了国家自然科学基金的资助。戴雄风和朱曼璐为《自然•微生物学》论文的共同第一作者。北京大学王忆平教授与加州大学圣地亚哥分校Terence Hwa教授为该论文的共同通讯作者。相关研究工作得到美国的Simon Foundation和中国国家自然科学基金的资助。

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