當(dāng)生物體受到環(huán)境脅迫(如營(yíng)養(yǎng)缺乏，藥物中毒等)時(shí)，其細(xì)胞內(nèi)部的基本生命活動(dòng)(如主管蛋白質(zhì)翻譯的核糖體)如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化調(diào)節(jié)其自身活性，是生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。在微生物領(lǐng)域，對(duì)大腸桿菌的相關(guān)研究將有利于人們?cè)谡J(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象的同時(shí)，揭示抗生素等抑制劑對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的作用機(jī)制，掌握控制及殺滅病原微生物的方法，以應(yīng)對(duì)耐藥細(xì)菌對(duì)人類日益增長(zhǎng)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(xì)胞生物，它又是如何“不死”的呢?對(duì)于細(xì)菌來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)占其干重的60%到80%，消耗細(xì)菌2/3的能量支出，促使細(xì)菌將最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(xì)菌生長(zhǎng)中處于核心環(huán)節(jié)，通過(guò)定量研究細(xì)菌的蛋白質(zhì)合成，將有利于理解細(xì)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(guò)艱苦歲月，并且在環(huán)境改善時(shí)恢復(fù)活力。核糖體是負(fù)責(zé)合成蛋白質(zhì)的“工人”。蛋白質(zhì)的合成速率一般認(rèn)為取決于兩個(gè)指標(biāo)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(duì)細(xì)菌核糖體翻譯延伸速率的測(cè)定方法有相當(dāng)?shù)木窒扌�，不適合定量生物學(xué)，特別是體內(nèi)實(shí)時(shí)定量生物學(xué)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(bǔ)系統(tǒng)(complementation system)的方法，用來(lái)實(shí)時(shí)的測(cè)定細(xì)菌翻譯延伸速率。該方法通過(guò)將不同目的基因的末端與一個(gè)小的β-galactosidase 阿爾法片段(編碼β-galactosidase N端起始60個(gè)氨基酸)融合，通過(guò)測(cè)定加入誘導(dǎo)物IPTG后新生融合蛋白的初始產(chǎn)出時(shí)間，測(cè)定報(bào)告基因產(chǎn)物β-galactosidase 阿爾法片段的初始產(chǎn)出時(shí)間，從而推導(dǎo)出不同基因的翻譯延伸速率。該方法快捷簡(jiǎn)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(biāo)記以及2-D電泳分離，非常繁瑣耗時(shí))以及LacZ誘導(dǎo)法(只能測(cè)定LacZ單個(gè)基因的數(shù)據(jù))的局限性，具有較高的實(shí)用性。

本次論文在系統(tǒng)定量生物學(xué)的框架下，結(jié)合經(jīng)典的細(xì)菌生理學(xué)，生物化學(xué)，分子生物學(xué)以及定量蛋白質(zhì)質(zhì)譜的手段，系統(tǒng)地研究了細(xì)菌在數(shù)十種營(yíng)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(yíng)養(yǎng)以及抗生素脅迫下)，細(xì)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(yíng)養(yǎng)條件下相比一個(gè)明顯的區(qū)別在于，細(xì)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(jiàn)圖1的定量結(jié)果，以及圖2的調(diào)控模型)。這樣一旦生長(zhǎng)條件恢復(fù)正常，細(xì)菌就可以節(jié)省出大量新生核糖體的合成時(shí)間，立即啟動(dòng)核糖體活性上調(diào)程序(工人全面開(kāi)工模式)，恢復(fù)細(xì)菌的快速生長(zhǎng)。

研究闡明在生理?xiàng)l件下，活性核糖體比例(核糖體“上崗率”)也應(yīng)該作為決定細(xì)菌蛋白質(zhì)翻譯和生長(zhǎng)速率的一個(gè)計(jì)算參數(shù)，從而可以定量理解和預(yù)測(cè)細(xì)菌在生理?xiàng)l件下尤其是各種嚴(yán)苛環(huán)境下的生存策略(如生態(tài)環(huán)境中的貧瘠營(yíng)養(yǎng)情況以及在應(yīng)對(duì)體內(nèi)抗生素攻擊情況)，揭示了細(xì)菌應(yīng)對(duì)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(xì)胞內(nèi)部也保有充沛精力(核糖體數(shù)量)，并時(shí)刻準(zhǔn)備著環(huán)境改善的時(shí)機(jī)到來(lái)。

圖1. 不同營(yíng)養(yǎng)條件下，細(xì)菌核糖體的活性比例與生長(zhǎng)速率的定量關(guān)系

圖2. 活性核糖體調(diào)控的模型，較好營(yíng)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(jìn)行，大部分核糖體可以順利進(jìn)入翻譯延伸過(guò)程;在較差營(yíng)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(méi)有進(jìn)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。