北大王忆平课题组在《核酸研讨》《天然•微生
来源:高端网 发表于2019-07-10 17:21:02 编辑:徐新
摘要: 当生物体遭到环境钳制(如养分缺少、药物中毒等)时,其细胞内部的根本生命活动(如主管蛋白质翻译的核糖体)怎么应对环境改变调理其本身活性,是

  当生物体遭到环境钳制(如养分缺少、药物中毒等)时,其细胞内部的根本生命活动(如主管蛋白质翻译的核糖体)怎么应对环境改变调理其本身活性,是生命科学范畴的重要研讨课题。在微生物范畴,对大肠杆菌的相关研讨将有利于人们在知道生命现象的一起,提醒抗生素等按捺剂对细菌成长的效果机制,把握操控及杀灭病原微生物的办法,以应对耐药细菌对人类日益增长的要挟。

  常言道“百足之虫死而不僵”,那么如果是大肠杆菌这样的单细胞生物,它又是怎么“不死”的呢?关于细菌来说,蛋白质占其干重的60%到80%,耗费细菌2/3的能量开销,促进细菌将最主要的代谢与能量资源用于其蛋白质组成。因而蛋白质组成在细菌成长中处于中心环节,经过定量研讨细菌的蛋白质组成,将有利于了解细菌是怎么在晦气环境下坚持其本身生机的“星星之火”,度过艰苦年月,并且在环境改进时康复生机。核糖体是担任组成蛋白质的“工人”。蛋白质的组成速率一般以为取决于两个目标即核糖体的含量(工人数量)以及单位核糖体的翻译延伸速率(工人作业速度)。

  在技能方面,现在已有的针对细菌核糖体翻译延伸速率的测定办法有适当的局限性,不适合定量生物学,特别是体内实时定量生物学的开展。为此生命科学学院王忆平课题组首先在2019年10月5日在《核酸研讨》(Nucleic acids Research)宣布了题为Real time determination of bacterial in vivo ribosome translation elongation speed by LacZα complementation system的研讨论文。该论文建立了一种根据闻名的beta-半乳糖苷酶互补体系(complementation system)的办法,用来实时测定细菌翻译延伸速率。该办法经过将不同意图基因的结尾与一个小的β-galactosidase阿尔法片段(编码β-galactosidase的N端开始60个氨基酸)交融,经过测定参加诱导物IPTG后重生交融蛋白的初始产出时间,测定报告基因产品β-galactosidase阿尔法片段的初始产出时间,然后推导出不同基因的翻译延伸速率。该办法方便简略,处理了已有的两种办法即同位素示踪法(需求双同位素标记以及2-D电泳分离,十分繁琐耗时)以及LacZ诱导法(只能测定LacZ单个基因的数据)的局限性,具有较高的实用性。

  在理论方面,王忆平课题组与美国加州大学圣地亚哥分校定量生物学中心Terence Hwa课题组协作在《天然?微生物学》(Nature Microbiology)以长文(Article)的方式宣布了题为Reduction of translating ribosomes enables Escherichia coli to maintain elongation rates during slow growth的学术论文。该论文在体系定量生物学的框架下,结合经典的细菌生理学、生物化学、分子生物学以及定量蛋白质质谱的手法,体系地研讨了细菌在数十种养分条件下以及抗生素钳制下,指数期蛋白质翻译功率的两个要害目标即核糖体的含量以及核糖体的翻译延伸速率,发现在极端晦气的窘境状况下(如瘠薄养分以及抗生素钳制下),细菌仍旧坚持了较高的核糖体翻译延伸速率(工人作业速度)以及核糖体的含量(工人数量)。可是与在较好养分条件下比较一个显着的差异在于,细菌将大部分核糖体(工人)处于非活性状况(工人不上岗)(参见图1的定量成果,以及图2的调控模型)。这样一旦成长条件康复正常,细菌就能够节省出很多重生核糖体的组成时间,当即发动核糖体活性上调程序(工人全面开工形式),康复细菌的快速成长。

  该研讨阐明晰在生理条件下,活性核糖体份额(核糖体“上岗率”)也应该作为决议细菌蛋白质翻译和成长速率的一个核算参数,然后能够定量了解和猜测细菌在生理条件下尤其是各种苛刻环境下的生计战略(如生态环境中的瘠薄养分状况以及应对体内抗生素进犯的状况),提醒了细菌应对环境改变“能屈能伸”的鲁棒性(robustness),即便环境极端恶劣其细胞内部也保有充分精力(核糖体数量),并时间预备着环境改进的机遇到来。

  

  图1. 不同养分条件下,细菌核糖体的活性份额与成长速率的定量联系图2. 活性核糖体调控的模型,较好养分状况下,胞内ppGpp水平较低,IF2介导的翻译开始能够顺畅进行,大部分核糖体能够顺畅进入翻译延伸进程;在较差养分状况下,胞内的ppGpp水平大大提高,按捺了IF2介导的翻译开始过程,使得没有进入翻译开始的70S核糖体单体大大添加,形成活性核糖体份额下降。

  北京大学生命科学学院博士研讨生朱曼璐(2019级PTN)为《核酸研讨》论文的榜首作者,博士研讨生戴雄风(2019级)与王忆平教授为该论文的一起通讯作者,相关研讨得到了国家天然科学基金的赞助。戴雄风和朱曼璐为《天然?微生物学》论文的一起榜首作者,王忆平教授与Terence Hwa教授为该论文的一起通讯作者,相关研讨作业得到美国的Simon Foundation和我国国家天然科学基金的赞助。

  修改:白杨

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