Trends Biochem Sci：戴雄風(fēng)/朱曼璐團(tuán)隊(duì)綜述核糖體合成與蛋白質(zhì)翻譯與細(xì)菌生長(zhǎng)的偶聯(lián)機(jī)制
諾貝爾獎(jiǎng)得主Francois Jacob曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“每個(gè)細(xì)胞的夢(mèng)想就是變成兩個(gè)細(xì)胞”。快速地生長(zhǎng)與增殖是細(xì)菌細(xì)胞以及許多類型的真核細(xì)胞（如酵母細(xì)胞、癌癥細(xì)胞）的核心特征之一。假設(shè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)完全不受限制，一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞只需要數(shù)天就可以長(zhǎng)至整個(gè)地球的質(zhì)量。癌癥細(xì)胞本質(zhì)上為真核細(xì)胞通過(guò)突變打破正常的生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制進(jìn)而獲得類似于細(xì)菌細(xì)胞無(wú)限增殖的能力。臨床上無(wú)論是采用抗生素治療細(xì)菌感染還是采用化療治療癌癥本質(zhì)上主要是干預(yù)細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)控過(guò)程。蛋白質(zhì)占干重的絕大部份，其合成消耗細(xì)胞體內(nèi)的主要資源能量，因此在細(xì)胞生長(zhǎng)占據(jù)中心地位。
5月21日，應(yīng)主編Sannie Culbertson博士邀請(qǐng)，我院微生物定量與合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室戴雄風(fēng)/朱曼璐團(tuán)隊(duì)在國(guó)際生物化學(xué)與分子生物學(xué)頂級(jí)雜志Cell子刊Trends in Biochemical Sciences發(fā)表了題為“Coupling of Ribosome Synthesis and Translational Capacity With Cell Growth的研究型綜述論文，系統(tǒng)性地總結(jié)了細(xì)菌核糖體合成與蛋白質(zhì)翻譯與細(xì)胞的偶聯(lián)機(jī)制，在此基礎(chǔ)上考慮酵母細(xì)胞與癌癥細(xì)胞的特點(diǎn)，從一個(gè)更高更廣的角度展望了領(lǐng)域內(nèi)一些重要的科學(xué)問(wèn)題。
該綜述首先總結(jié)了細(xì)菌核糖體合成與蛋白質(zhì)翻譯效率與生長(zhǎng)的偶聯(lián)機(jī)制。在人體腸道中，在不同的時(shí)間、位置，其營(yíng)養(yǎng)環(huán)境千差萬(wàn)別。研究估計(jì)大腸桿菌在人體腸道中的平均分裂期可以從30-40分鐘一代（營(yíng)養(yǎng)充足）到數(shù)天一代（營(yíng)養(yǎng)饑餓）。因此，大腸桿菌在人體腸道中頻繁經(jīng)受feast- and-famine cycles（“盛筵”與“饑荒”的循環(huán)）。對(duì)于模型細(xì)菌大腸桿菌來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)占總干重的60％以上，其合成消耗了總ATP能量預(yù)算的70%左右。 此外，蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程與mRNA轉(zhuǎn)錄緊密相關(guān)，以確保有效的基因表達(dá)（Zhu et al (2019)Nat Microbiol）。 快速地指數(shù)增長(zhǎng)需要快速地蛋白質(zhì)合成，因此需要高豐度的核糖體。在較快的生長(zhǎng)范圍內(nèi)（分裂期小于1個(gè)小時(shí)），細(xì)菌主要通過(guò)調(diào)整核糖體的合成來(lái)控制蛋白質(zhì)合成效率，此時(shí)，核糖體的含量與細(xì)菌生長(zhǎng)速率呈近乎完美的線性關(guān)系。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變差（生長(zhǎng)速率下降），細(xì)菌需要合成更多的代謝類蛋白來(lái)吸取營(yíng)養(yǎng)，而此時(shí)用于細(xì)菌蛋白質(zhì)合成的核糖體含量則顯著降低（Scott et al(2010)Science; You et al(2013)Nature; Dai et al (2016) Nat Microbiol）。該現(xiàn)象反映了細(xì)菌適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)條件變化進(jìn)而對(duì)其蛋白質(zhì)組資源進(jìn)行全局優(yōu)化配置，在分子水平上通過(guò)“超級(jí)中樞分子“——魔斑(p)ppGpp對(duì)核糖體與代謝類蛋白質(zhì)的基因表達(dá)調(diào)控實(shí)現(xiàn)（Potrykus & Cashel(2008) Annu Rev Microbiol; Zhu & Dai (2019a) Nucleic Acids Res）。
當(dāng)營(yíng)養(yǎng)條件極其貧瘠導(dǎo)致生長(zhǎng)極其緩慢時(shí)，情況開(kāi)始發(fā)生變化，細(xì)菌此時(shí)會(huì)采用一個(gè)新的策略控制蛋白質(zhì)翻譯效率。一方面，細(xì)菌會(huì)維持一個(gè)基本水平的核糖體“庫(kù)存”，并使得其中大部分核糖體處于非活性狀態(tài)，這樣未來(lái)當(dāng)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境恢復(fù)時(shí)，細(xì)菌可以激活這個(gè)核糖體庫(kù)存，以達(dá)到快速恢復(fù)生長(zhǎng)的目的(Dai et al (2016)Nat Microbiol, Matteo et al (2017) Nat Commun)。另一方面，對(duì)于處于活性狀態(tài)下的一小部分核糖體，細(xì)菌使其維持一個(gè)較快的核糖體翻譯延伸速率，這樣可以在惡劣環(huán)境下及時(shí)合成逆境響應(yīng)蛋白進(jìn)行逆境防御，以確保細(xì)菌在不利環(huán)境中的存活Dai et al (2016) Nat Microbiol; Dai et al (2018) mBio; Zhu & Dai (2019b) Nucleic Acids Res)。
酵母細(xì)胞和癌癥細(xì)胞在生長(zhǎng)調(diào)控方面與細(xì)菌細(xì)胞有許多共性，如代謝溢流現(xiàn)象（Overflow metabolism，癌癥生物學(xué)中的Warburg effect）(Molenaar et al (2009)Mol Syst Biol)。論文的最后部分簡(jiǎn)明扼要地總結(jié)了酵母細(xì)胞和癌癥細(xì)胞中核糖體合成與細(xì)胞生長(zhǎng)的重要聯(lián)系，涉及到TORC及AMPK等對(duì)核糖體合成的調(diào)控。近年來(lái)的研究表明，酵母細(xì)胞的核糖體合成同樣與生長(zhǎng)速率緊密偶聯(lián)（Metzl-Raz, E et al (2017) eLife）。此外，核糖體合成的上調(diào)被認(rèn)為是推進(jìn)癌癥產(chǎn)生的重要因子(Pelletier J et al 2018 Nat Rev Cancer)。文章最后指出，考慮到細(xì)菌、酵母細(xì)胞以及癌癥細(xì)胞在這些頂層設(shè)計(jì)原理中的相似性，期待在未來(lái)的相關(guān)研究中，不同領(lǐng)域研究者能夠加強(qiáng)交叉合作，深入解析不同類型細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制的一般規(guī)律。
Cell Press出版的Trends系列綜述期刊是和Nature Reviews系列及Annual Review系列等齊名的國(guó)際頂級(jí)綜述系列期刊。Trends in Biochemical Sciences出版于1976年，是Cell Press最早出版的雜志之一，也是第一本Trends綜述期刊。旨在發(fā)表生物化學(xué)與分子生物學(xué)相關(guān)前沿領(lǐng)域的系統(tǒng)性綜述，并提出相關(guān)新穎獨(dú)到的見(jiàn)解，為許多重要科學(xué)問(wèn)題指明方向。該工作是在該課題組發(fā)表在國(guó)際一流雜志Nature Microbiology, Nucleic Acids Res，mBio相關(guān)成果基礎(chǔ)上的系統(tǒng)性歸納與拓寬延伸。
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