朱曼璐、戴雄风课题组揭示细菌细胞周期调控的新机制

来源:作者:发稿时间:2017-11-15浏览次数:

         诺贝尔奖得主Francois Jacob曾经说过:“每个细胞的梦想是变成两个细胞” (“The dream of every cell is to become two cells”)。为了保持种群稳定的生长与繁殖,细菌必须采用可靠的策略将细胞的生长与细胞周期的各个步骤偶联起来进而维持一定的细胞大小(体积) 维持细胞大小的稳定性是原核生物和真核生物细胞的基本共性。细胞大小对几乎所有类型的细胞生理活动都有着重要的影响。在实际应用中,许多抗生素的作用靶标针对的即是细胞周期的各个关键步骤,因而其与抗生素作用机制和耐药性问题同样相关。此外,许多重大疾病如癌症都是与细胞周期密不可分的。所以研究细胞周期与细胞大小的调控机制是生物学的研究热点和难点。 

大肠杆菌的细胞周期包括两个关键时期,C期以及D期。C期为染色体复制时期(从起点oriC到终点ter所需要的时间,反映了DNA复制叉移动的速率。D期为染色体复制完成到细胞分裂完成之间的时间。细菌在染色体复制起始后,经历C+D时期后发生细胞分裂。然而目前人们对大肠杆菌细胞周期调控的分子机制尚不明确。

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                                   图1 (上)RNR表达量对细菌体积的影响。

       RNR低水平表达可以显著增加细菌细胞体积。(下)RNR调控细菌细胞周期与体积的“电池”模型。细菌细胞周期分为染色体起始前期、染色体复制时期(C期)以及染色体复制完成到细胞分裂完成之间的时期(D期)。当RNR表达水平较低时(“电池含量低”),细菌体内dNTP浓度降低(淡紫色),导致染色体复制时期显著延长,造成细菌体积显著增加。 

近期我院朱曼璐、戴雄风课题组与北京大学王忆平教授课题组合作,采用合成生物学手段将基因回路引入细菌细胞中,实现了对细菌核糖核苷酸还原酶(Ribonucleotide reductase, RNR)表达量的精确控制。他们发现通过梯度控制RNR的表达量,可以实现对细菌胞内DNA复制底物即四种dNTP分子含量的精确控制。当RNR表达浓度很低时,细菌体内dNTP浓度降低,导致C期(染色体复制时期)显著增加进而造成细胞周期的迟滞。细胞周期的迟滞进一步造成了细菌体积的显著增加(图1上)。因此,RNR可以像一个“电池”一样通过控制细菌体内的dNTP底物浓度进而控制细胞周期和细胞体积(图1下)。研究中进一步发现,当过表达RNR蛋白时,C期可以显著降低,低于前人报道中野生型细菌在各种营养环境下的C期值。表明野生型细菌在生理条件下生长时,其染色体复制叉移动速率并没有发挥到全部潜力。细菌有意识地通过严谨控制RNR的表达量,进而保持了亚饱和的dNTP底物浓度,这样可以避免dNTP浓度失控而增加DNA突变频率。 

该研究揭示了RNR调控细菌细胞周期和体积的重要作用,同时表明了合成生物学在揭示生命基本奥秘规律的强大作用。相关研究成果以“Manipulating the bacterial cell cycle and cell size by titrating the expression of ribonucleotide reductase” (http://mbio.asm.org/content/8/6/e01741-17) 为题发表于国际微生物学一流杂志美国微生物学学会(ASM)会刊mBiomBio的总主编Arturo Casadevall教授对该研究给予了高度评价,认为该项研究属于业内Top 10%级别的发现。北京大学王忆平教授为本文的通讯作者,我校朱曼璐戴雄风副教授为共同第一作者。