發(fā)表細菌核糖體翻譯延伸速率測定方法研究論文-齊一生物

當生物體受到環(huán)境脅迫(如營養(yǎng)缺乏，藥物中毒等)時，其細胞內(nèi)部的基本生命活動(如主管蛋白質(zhì)翻譯的核糖體)如何應(yīng)對環(huán)境變化調(diào)節(jié)其自身活性，是生命科學領(lǐng)域的重要研究課題。在微生物領(lǐng)域，對大腸桿菌的相關(guān)研究將有利于人們在認識生命現(xiàn)象的同時，揭示抗生素等抑制劑對細菌生長的作用機制，掌握控制及殺滅病原微生物的方法，以應(yīng)對耐藥細菌對人類日益增長的威脅。

常言道“百足之蟲死而不僵”，那么如果是大腸桿菌這樣的單細胞生物，它又是如何“不死”的呢?對于細菌來說，蛋白質(zhì)占其干重的60%到80%，消耗細菌2/3的能量支出，促使細菌將*主要的代謝與能量資源用于其蛋白質(zhì)合成。因此蛋白質(zhì)合成在細菌生長中處于核心環(huán)節(jié)，通過定量研究細菌的蛋白質(zhì)合成，將有利于理解細菌是如何在不利環(huán)境下保持其自身活力的“星星之火”，度過艱苦歲月，并且在環(huán)境改善時恢復(fù)活力。核糖體是負責合成蛋白質(zhì)的“工人”。蛋白質(zhì)的合成速率一般認為取決于兩個指標即核糖體的含量(工人數(shù)量)以及單位核糖體的翻譯延伸速率(工人工作速度)。

目前已有的針對細菌核糖體翻譯延伸速率的測定方法有相當?shù)木窒扌裕�不適合定量生物學，特別是體內(nèi)實時定量生物學的發(fā)展。此前王憶平課題組在《Nucleic acids Research》發(fā)表了題為“Real time determination of bacterialin vivoribosome translation elongation speed by LacZα complementation system”的研究論文。論文建立了一種基于著名的beta-半乳糖苷酶互補系統(tǒng)(complementation system)的方法，用來實時的測定細菌翻譯延伸速率。該方法通過將不同目的基因的末端與一個小的β-galactosidase 阿爾法片段(編碼β-galactosidase N端起始60個氨基酸)融合，通過測定加入誘導(dǎo)物IPTG后新生融合蛋白的初始產(chǎn)出時間，測定報告基因產(chǎn)物β-galactosidase 阿爾法片段的初始產(chǎn)出時間，從而推導(dǎo)出不同基因的翻譯延伸速率。該方法快捷簡單，解決了已有的兩種方法即同位素示蹤法(需要雙同位素標記以及2-D電泳分離，非常繁瑣耗時)以及LacZ誘導(dǎo)法(只能測定LacZ單個基因的數(shù)據(jù))的局限性，具有較高的實用性。

本次論文在系統(tǒng)定量生物學的框架下，結(jié)合經(jīng)典的細菌生理學，生物化學，分子生物學以及定量蛋白質(zhì)質(zhì)譜的手段，系統(tǒng)地研究了細菌在數(shù)十種營養(yǎng)條件下以及抗生素脅迫下，指數(shù)期蛋白質(zhì)翻譯效率的兩個關(guān)鍵指標即核糖體的含量以及核糖體的翻譯延伸速率。發(fā)現(xiàn)在極其不利的逆境情況下(如貧瘠營養(yǎng)以及抗生素脅迫下)，細菌依舊保持了較高的核糖體翻譯延伸速率(工人工作速度)以及核糖體的含量(工人數(shù)量)。但是與在較好營養(yǎng)條件下相比一個明顯的區(qū)別在于，細菌將大部分核糖體(工人)處于非活性狀態(tài)(“工人不上崗”)(參見圖1的定量結(jié)果，以及圖2的調(diào)控模型)。這樣一旦生長條件恢復(fù)正常，細菌就可以節(jié)省出大量新生核糖體的合成時間，立即啟動核糖體活性上調(diào)程序(工人全面開工模式)，恢復(fù)細菌的快速生長。

研究闡明在生理條件下，活性核糖體比例(核糖體“上崗率”)也應(yīng)該作為決定細菌蛋白質(zhì)翻譯和生長速率的一個計算參數(shù)，從而可以定量理解和預(yù)測細菌在生理條件下尤其是各種嚴苛環(huán)境下的生存策略(如生態(tài)環(huán)境中的貧瘠營養(yǎng)情況以及在應(yīng)對體內(nèi)抗生素攻擊情況)，揭示了細菌應(yīng)對環(huán)境變化“能屈能伸”的魯棒性(robustness)，即使環(huán)境極其惡劣其細胞內(nèi)部也保有充沛精力(核糖體數(shù)量)，并時刻準備著環(huán)境改善的時機到來。

圖1. 不同營養(yǎng)條件下，細菌核糖體的活性比例與生長速率的定量關(guān)系

圖2. 活性核糖體調(diào)控的模型，較好營養(yǎng)情況下，胞內(nèi)ppGpp水平較低，IF2介導(dǎo)的翻譯起始能夠順利進行，大部分核糖體可以順利進入翻譯延伸過程;在較差營養(yǎng)情況下，胞內(nèi)的ppGpp水平大大提高，抑制了IF2介導(dǎo)的翻譯起始步驟，使得沒有進入翻譯起始的70S核糖體單體大大增加，造成活性核糖體比例降低。