Trends Biochem Sci:戴雄风/朱曼璐团队综述核糖体合成与蛋白质翻译与细菌生长的偶联机制

来源:作者:发稿时间:2020-05-25浏览次数:

诺贝尔奖得主Francois Jacob曾经说过:“每个细胞的梦想就是变成两个细胞”。快速地生长与增殖是细菌细胞以及许多类型的真核细胞(如酵母细胞、癌症细胞)的核心特征之一。假设营养物质完全不受限制,一个大肠杆菌细胞只需要数天就可以长至整个地球的质量。癌症细胞本质上为真核细胞通过突变打破正常的生长调控机制进而获得类似于细菌细胞无限增殖的能力。临床上无论是采用抗生素治疗细菌感染还是采用化疗治疗癌症本质上主要是干预细胞的生长调控过程。蛋白质占干重的绝大部份,其合成消耗细胞体内的主要资源能量,因此在细胞生长占据中心地位。

5月21日,应主编Sannie Culbertson博士邀请,我院微生物定量与合成生物学实验室戴雄风/朱曼璐团队在国际生物化学与分子生物学顶级杂志Cell子刊Trends in Biochemical Sciences发表了题为“Coupling of Ribosome Synthesis and Translational Capacity With Cell Growth的研究型综述论文,系统性地总结了细菌核糖体合成与蛋白质翻译与细胞的偶联机制,在此基础上考虑酵母细胞与癌症细胞的特点,从一个更高更广的角度展望了领域内一些重要的科学问题。

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该综述首先总结了细菌核糖体合成与蛋白质翻译效率与生长的偶联机制。在人体肠道中,在不同的时间、位置,其营养环境千差万别。研究估计大肠杆菌在人体肠道中的平均分裂期可以从30-40分钟一代(营养充足)到数天一代(营养饥饿)。因此,大肠杆菌在人体肠道中频繁经受feast- and-famine cycles(“盛筵”与“饥荒”的循环)。对于模型细菌大肠杆菌来说,蛋白质占总干重的60%以上,其合成消耗了总ATP能量预算的70%左右。 此外,蛋白质翻译过程与mRNA转录紧密相关,以确保有效的基因表达(Zhu et al (2019) Nat Microbiol)。 快速地指数增长需要快速地蛋白质合成,因此需要高丰度的核糖体。在较快的生长范围内(分裂期小于1个小时),细菌主要通过调整核糖体的合成来控制蛋白质合成效率,此时,核糖体的含量与细菌生长速率呈近乎完美的线性关系。当营养环境变差(生长速率下降),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(Scott et al(2010)Science; You et al(2013)Nature; Dai et al (2016) Nat Microbiol)。该现象反映了细菌适应营养条件变化进而对其蛋白质组资源进行全局优化配置,在分子水平上通过“超级中枢分子“——魔斑(p)ppGpp对核糖体与代谢类蛋白质的基因表达调控实现(Potrykus & Cashel(2008) Annu Rev Microbiol; Zhu & Dai (2019a) Nucleic Acids Res)。

当营养条件极其贫瘠导致生长极其缓慢时,情况开始发生变化,细菌此时会采用一个新的策略控制蛋白质翻译效率。一方面,细菌会维持一个基本水平的核糖体“库存”,并使得其中大部分核糖体处于非活性状态,这样未来当营养环境恢复时,细菌可以激活这个核糖体库存,以达到快速恢复生长的目的(Dai et al (2016) Nat Microbiol, Matteo et al (2017) Nat Commun)。另一方面,对于处于活性状态下的一小部分核糖体,细菌使其维持一个较快的核糖体翻译延伸速率,这样可以在恶劣环境下及时合成逆境响应蛋白进行逆境防御,以确保细菌在不利环境中的存活Dai et al (2016) Nat Microbiol; Dai et al (2018) mBio; Zhu & Dai (2019b) Nucleic Acids Res)。

酵母细胞和癌症细胞在生长调控方面与细菌细胞有许多共性,如代谢溢流现象(Overflow metabolism,癌症生物学中的Warburg effect)(Molenaar et al (2009)Mol Syst Biol)。论文的最后部分简明扼要地总结了酵母细胞和癌症细胞中核糖体合成与细胞生长的重要联系,涉及到TORC及AMPK等对核糖体合成的调控。近年来的研究表明,酵母细胞的核糖体合成同样与生长速率紧密偶联(Metzl-Raz, E et al (2017) eLife)。此外,核糖体合成的上调被认为是推进癌症产生的重要因子(Pelletier J et al 2018 Nat Rev Cancer)。文章最后指出,考虑到细菌、酵母细胞以及癌症细胞在这些顶层设计原理中的相似性,期待在未来的相关研究中,不同领域研究者能够加强交叉合作,深入解析不同类型细胞生长调控机制的一般规律。

Cell Press出版的Trends系列综述期刊是和Nature Reviews系列及Annual Review系列等齐名的国际顶级综述系列期刊。Trends in Biochemical Sciences出版于1976年,是Cell Press最早出版的杂志之一,也是第一本Trends综述期刊。旨在发表生物化学与分子生物学相关前沿领域的系统性综述,并提出相关新颖独到的见解,为许多重要科学问题指明方向。该工作是在该课题组发表在国际一流杂志Nature Microbiology, Nucleic Acids Res,mBio相关成果基础上的系统性归纳与拓宽延伸。