顶层管家“魔斑”——微生物合成与定量生物学实验室揭示(p)ppGpp对细菌生长与基因表达的全局调控作用

来源:作者:发稿时间:2019-03-28浏览次数:

近日,我院微生物合成与定量生物学实验室在国际生物化学与分子生物学著名杂志《Nucleic Acids Research》发表了题为“Growth suppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli的研究论文。朱曼璐博士为论文的第一作者,戴雄风博士为论文的通讯作者,我院为唯一作者单位。

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细菌是大自然设计的一个精密运转的微型生物系统。如果把细菌比作一个“公司”,随着经济大环境的变化,公司需要对其内部各部门的资源进行合理配置。类似的,细菌在自然界面临的环境千变万化,许多逆境环境会显著抑制细菌的生长速率。为了保证种群在逆境状态下的存活,细菌需要随时响应环境来调节自身全局的基因表达调控网络。比如在营养限制状态下,细菌需要合成更多的代谢类蛋白来吸取营养,而此时用于细菌蛋白质合成的核糖体含量则显著降低。尽管传统的分子生物学与生化研究(如转录组学与蛋白质组学)对细菌的逆境响应做了许多详尽的研究,一个根本性的问题尚无很好的解答:细菌这台精密的生物机器采用何种分子机制进行基因表达的全局控制?是否存在简单的分子策略来帮助细菌实现全局的资源优化配置?

大约在50年前,研究者使用薄层层析分析大肠杆菌在氨基酸饥饿条件下的代谢物时,意外发现薄层层析中多出了一个明显的斑点,研究者当时称其为“Magic SpoT”(魔斑),也就是后来的鸟苷四/五磷酸(p)ppGpp。半个世纪的研究表明:(p)ppGpp,正如其绰号“魔斑”一样,是微生物体内最为魔幻的代谢分子。研究者发现在不利环境下,(p)ppGpp可以抑制生命中心法则的几乎所有步骤(从DNA复制到RNA转录到蛋白质翻译,甚至包括脂肪酸合成)。更令人匪夷所思的是,这种小分子可以调节微生物众多生死攸关的生理步骤,包括:抗生素耐药、逆境存活、致病性与毒性、生物膜合成、游动性、芽孢形成以及竞争性。研究者戏称(p)ppGpp这种十八般武艺特性为“魔幻舞者”(Magic dancer)。

半个世纪的研究远远没有揭开(p)ppGpp的魔幻面纱,现有的(p)ppGpp研究主要集中在逆境与营养饥饿状态下。然而(p)ppGpp与决定细菌种群繁殖的关键周期——指数生长的关系依旧模糊不清。原因主要由于现有的研究很大程度上依赖于ppGpp0细菌(spoT relA双缺陷菌)。这种缺陷菌只能在完全培养基中生长,并且很容易产生突变(遗传不稳定性很高),极大地限制了相关研究。

在该项研究中,朱曼璐与戴雄风博士独辟蹊径,采用合成生物学手段,将果蝇(Drosophila)中的(p)ppGpp水解酶(Mesh1)应用到大肠杆菌中,与RelA合成酶一起建立了一对可以任意调控细菌胞内(p)ppGpp含量的遗传体系,便于系统地在任何培养条件下研究(p)ppGpp与大肠杆菌生长以及基因表达的关系。研究发现:(p)ppGpp可以对决定大肠杆菌生长的两大“核心部门”——核糖体蛋白与代谢类蛋白在蛋白质组的资源分配进行全局调控, 进而控制细菌生长(下图)。保持一个最优的 (p)ppGpp浓度可以保证细菌蛋白质组的优化配置,进而使得细菌处于最优的生长状态;相反(p)ppGpp含量过高或者过低都会导致蛋白质组资源分配的紊乱,进而抑制细菌生长。研究中进一步采用定量生物学手段,采用基于粗粒度数学模型的“蛋白质组资源分区”模型将(p)ppGpp与细菌生长以及基因表达通过简单的数学方程整合到了一起。

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示意图:(p)ppGpp通过对大肠杆菌蛋白质资源的全局配置调控细菌生长 

该研究首次系统地揭示了(p)ppGpp对细菌指数生长与基因表达的全局调控功能。(p)ppGpp作为细菌体内的“顶层管家”,牵一发而动全身,负责对维持细菌生长的两大核心部门“核糖体部”与“代谢类蛋白部”进行合理的“预算”配置,进而从全局上决定细菌的生长状态。

此外,微生物合成与定量生物学实验室近期对渗透压胁迫对细菌生长、蛋白质翻译、抗生素耐药性与细胞大小的影响进行了系统性的研究,2018年分别在美国微生物学会(ASM)旗舰杂志《mBio》以及其姊妹期刊《mSphere》发表了数篇研究论文。

相关论文链接:

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkz211/5420536

https://mbio.asm.org/content/9/1/e02375-17

https://msphere.asm.org/content/3/2/e00095-18

https://msphere.asm.org/content/3/5/e00430-18

https://msphere.asm.org/content/3/6/e00567-18