Nature Microbiology长文:微生物定量与合成生物学实验室挑战分子生物学重要概念传统认知

来源:作者:朱曼璐发稿时间:2019-09-09浏览次数:

近日,我院微生物定量与合成生物学实验室在细菌转录与翻译偶联协调控制机制领域取得重大突破,在国际微生物学顶级杂志Nature Microbiology(《自然微生物学》)以长文Article形式发表了题为Disruption of transcription-translation coordination in Escherichia coli leads to premature transcriptional termination的论文,该项研究挑战了业内主流观点,改写了人们对细菌转录翻译偶联现象机制的认知。

朱曼璐博士为第一作者,戴雄风博士与加州大学圣地亚哥分校的Terence Hwa教授为论文的共同通讯作者,我院为第一兼通讯作者单位。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。论文发表同日,戴雄风博士应邀在Nature的Microbiology Community中“behind the paper”栏目撰文,分享了该项工作背后的故事。

对于原核生物的基因表达过程来说,体内的mRNA转录与蛋白质翻译紧密联系。在不同的营养条件下,RNA聚合酶在转录延伸的过程中,一个核糖体始终以相同的速度紧密跟随RNA聚合酶进行蛋白质翻译,该核糖体被称为“紧随核糖体”。该过程在半个世纪之前已经被研究者在电子显微镜下观察到。细菌翻译与转录过程的紧密偶联被写入了国际上许多经典的分子生物学教科书。而关于细菌如何维持转录与翻译的协调过程依旧模糊不清,近年来国际上许多研究组进行了大量的研究。目前主流观点认为核糖体与RNA聚合酶之间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),核糖体在背后“推行”RNA聚合酶前进(Proshkin et al 2010 Science),进而保持两者之间的紧密偶联。

在该项研究中,朱曼璐、戴雄风博士首先建立了一个转录延伸动力学的精细测定手段。在此基础上,整合了多种逆境环境下细菌转录与翻译延伸的动力学状态。他们发现在不同营养条件下(生长速率从20分钟一代到1天一代,包括在营养完全耗尽状态),细菌可以保持RNA聚合酶与核糖体延伸速率的一致,进而维持转录翻译的紧密协调。而当采用抗生素或无义突变使得核糖体速率降低甚至彻底停滞,发现细菌RNA聚合酶的转录速率不受影响,发生转录翻译解偶联现象,此时Rho因子会造成转录提前终止,造成基因表达流产进而抑制细菌生长生理。该研究表明RNA聚合酶与核糖体的协调是条件性的,否定了RNA聚合酶的高速移动需要核糖体的协助(即“推行”)这一观点。进一步的定量研究表明,在不同营养条件下,大肠杆菌使用“超级中枢分子”魔斑(p)ppGpp同时控制RNA聚合酶与核糖体的移动速度,进而保持转录与翻译的紧密偶联。另外,该工作同时揭示了转录提前终止现象是抗生素造成细菌活性核糖体含量显著降低的主要原因,解决了该实验室之前发表在Nature Microbiology (Dai et al 2017 Nature Microbiology)中的一项遗留问题。

该项研究改写人们对转录与翻译偶联机制的传统认知,是微生物定量与合成生物学实验室在细菌生长法则领域的又一重要进展。今年3月,该课题组在Nucleic Acids Res发表了题为题为“Growth suppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli”的研究论文,揭示了“魔斑”(p)ppGpp对细菌生长、蛋白质翻译与基因表达的全局调控作用。5月份,课题组在Nucleic Acids Res发表了题为“Maintenance of translational elongation rate underlies the survival of Escherichia coli during oxidative stress”的研究论文,揭示了维持核糖体翻译延伸速度对决定细菌对抗氧化胁迫的关键性生理指标。

Nature Microbiology(《自然-微生物学》)是《自然》专业级子刊之一, 创刊于2016年,期刊旨在发表国际微生物领域最重要的进展并涵盖相关重大微生物学热门问题,确保其发表论文能覆盖最广泛的微生物学家群体。长文(Article)发表形式代表了一个重要微生物问题的重大系统性进展。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41564-019-0543-1

Behind the paper链接:

https://naturemicrobiologycommunity.nature.com/users/293686-xiongfeng-dai/posts/52714-the-coordination-between-rna-polymerase-and-ribosome-in-bacteria

(编辑 李祎昕)