Nature Microbiology長文：微生物定量與合成生物學(xué)實驗室挑戰(zhàn)分子生物學(xué)重要概念傳統(tǒng)認(rèn)知
近日，我院微生物定量與合成生物學(xué)實驗室在細(xì)菌轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)協(xié)調(diào)控制機制領(lǐng)域取得重大突破，在國際微生物學(xué)頂級雜志Nature Microbiology（《自然微生物學(xué)》）以長文Article形式發(fā)表了題為Disruption of transcription-translation coordination in Escherichia coli leads to premature transcriptional termination的論文，該項研究挑戰(zhàn)了業(yè)內(nèi)主流觀點，改寫了人們對細(xì)菌轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)現(xiàn)象機制的認(rèn)知。
朱曼璐博士為第一作者，戴雄風(fēng)博士與加州大學(xué)圣地亞哥分校的Terence Hwa教授為論文的共同通訊作者，我院為第一兼通訊作者單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。論文發(fā)表同日，戴雄風(fēng)博士應(yīng)邀在Nature的Microbiology Community中“behind the paper”欄目撰文，分享了該項工作背后的故事。
對于原核生物的基因表達過程來說，體內(nèi)的mRNA轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)翻譯緊密聯(lián)系。在不同的營養(yǎng)條件下，RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄延伸的過程中，一個核糖體始終以相同的速度緊密跟隨RNA聚合酶進行蛋白質(zhì)翻譯，該核糖體被稱為“緊隨核糖體”。該過程在半個世紀(jì)之前已經(jīng)被研究者在電子顯微鏡下觀察到。細(xì)菌翻譯與轉(zhuǎn)錄過程的緊密偶聯(lián)被寫入了國際上許多經(jīng)典的分子生物學(xué)教科書。而關(guān)于細(xì)菌如何維持轉(zhuǎn)錄與翻譯的協(xié)調(diào)過程依舊模糊不清，近年來國際上許多研究組進行了大量的研究。目前主流觀點認(rèn)為核糖體與RNA聚合酶之間存在物理上的直接相互作用 (如Burmann et al 2010 Science; Burman et al 2012 Cell; Kohler et al 2017 Science; Fan et al 2017 Nucleic Acids Res; Demo et al 2017 eLife)，核糖體在背后“推行”RNA聚合酶前進（Proshkin et al 2010 Science），進而保持兩者之間的緊密偶聯(lián)。
在該項研究中，朱曼璐、戴雄風(fēng)博士首先建立了一個轉(zhuǎn)錄延伸動力學(xué)的精細(xì)測定手段。在此基礎(chǔ)上，整合了多種逆境環(huán)境下細(xì)菌轉(zhuǎn)錄與翻譯延伸的動力學(xué)狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)在不同營養(yǎng)條件下（生長速率從20分鐘一代到1天一代，包括在營養(yǎng)完全耗盡狀態(tài)），細(xì)菌可以保持RNA聚合酶與核糖體延伸速率的一致，進而維持轉(zhuǎn)錄翻譯的緊密協(xié)調(diào)。而當(dāng)采用抗生素或無義突變使得核糖體速率降低甚至徹底停滯，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄速率不受影響，發(fā)生轉(zhuǎn)錄翻譯解偶聯(lián)現(xiàn)象，此時Rho因子會造成轉(zhuǎn)錄提前終止，造成基因表達流產(chǎn)進而抑制細(xì)菌生長生理。該研究表明RNA聚合酶與核糖體的協(xié)調(diào)是條件性的，否定了RNA聚合酶的高速移動需要核糖體的協(xié)助（即“推行”）這一觀點。進一步的定量研究表明，在不同營養(yǎng)條件下，大腸桿菌使用“超級中樞分子”魔斑(p)ppGpp同時控制RNA聚合酶與核糖體的移動速度，進而保持轉(zhuǎn)錄與翻譯的緊密偶聯(lián)。另外，該工作同時揭示了轉(zhuǎn)錄提前終止現(xiàn)象是抗生素造成細(xì)菌活性核糖體含量顯著降低的主要原因，解決了該實驗室之前發(fā)表在Nature Microbiology (Dai et al 2017 Nature Microbiology)中的一項遺留問題。
該項研究改寫人們對轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)機制的傳統(tǒng)認(rèn)知，是微生物定量與合成生物學(xué)實驗室在細(xì)菌生長法則領(lǐng)域的又一重要進展。今年3月，該課題組在Nucleic Acids Res發(fā)表了題為題為“Growth suppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli”的研究論文，揭示了“魔斑”(p)ppGpp對細(xì)菌生長、蛋白質(zhì)翻譯與基因表達的全局調(diào)控作用。5月份，課題組在Nucleic Acids Res發(fā)表了題為“Maintenance of translational elongation rate underlies the survival ofEscherichia coli during oxidative stress”的研究論文，揭示了維持核糖體翻譯延伸速度對決定細(xì)菌對抗氧化脅迫的關(guān)鍵性生理指標(biāo)。
Nature Microbiology（《自然-微生物學(xué)》）是《自然》專業(yè)級子刊之一， 創(chuàng)刊于2016年，期刊旨在發(fā)表國際微生物領(lǐng)域最重要的進展并涵蓋相關(guān)重大微生物學(xué)熱門問題，確保其發(fā)表論文能覆蓋最廣泛的微生物學(xué)家群體。長文（Article）發(fā)表形式代表了一個重要微生物問題的重大系統(tǒng)性進展。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41564-019-0543-1
Behind the paper鏈接：
https://naturemicrobiologycommunity.nature.com/users/293686-xiongfeng-dai/posts/52714-the-coordination-between-rna-polymerase-and-ribosome-in-bacteria
（編輯 李祎昕）
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