生死存亡的拉鋸戰(zhàn)——微生物合成與定量生物學實驗室揭示細菌對抗氧化脅迫的關鍵生理性限制因素
2019年5月27號，微生物合成與定量生物學實驗室在國際生物化學與分子生物學著名雜志Nucleic Acids Research發(fā)表了題為“Maintenance of translational elongation rate underlies the survival of Escherichia coli during oxidative stress”的研究長文。戴雄風博士為論文的通訊作者，朱曼璐博士為論文的第一兼共同通訊作者。我院為唯一作者單位。
在自然界中，細菌需要對抗各種逆境環(huán)境，包括高溫、氧化、強酸以及高滲透壓。研究細菌如何應對外在的逆境是微生物學研究的熱點。從分子水平來說，逆境響應的研究主要關注鑒定響應逆境的各種基因。分子微生物學家將主要的精力花在研究具體的逆境信號響應途徑。然而一些根本的圍繞細菌逆境生理的問題尚無較好的回答：逆境抑制生長的本質原因是什么？細菌的逆境響應如何緩解這個問題？決定細菌在逆境中存活極限的內在限制因素是什么？
在該項研究中，研究者主要關注一種常見的逆境——氧化脅迫對大腸桿菌的抑制作用。ROS（活性氧）一直擁有廣泛的關注度，它對于所有類型的細胞包括細菌、酵母、植物細胞以及動物細胞都可以造成嚴重的損傷。對于我們人類來說，活性氧一直被認為與多種影響生命健康的重大疾病如心腦血管疾病、神經退行性疾病、癌癥、炎癥、關節(jié)炎等息息相關。其中，活性氧被認為是介導生物衰老的罪魁禍首之一。當各種類型的細胞（從原核生物到真核生物細胞）遭遇氧化脅迫時，一個最明顯的表征即為生長抑制。之后，細胞需要建立逆境響應防御體系來清除自由氧，進而恢復生長。然而，當氧化脅迫程度較高時，細胞將無法存活。這里有一個本質的生理學問題尚無較好的回答——決定細胞耐受氧化脅迫極限的生理學關鍵因素是什么？
以大腸桿菌為研究對象，采用定量生物學手段，該研究對這個重要問題進行了深入的剖析。研究首先采用了不同濃度的過氧化氫處理指數(shù)生長中的細菌，發(fā)現(xiàn)在低濃度到中等濃度（0-5 mM）的過氧化氫條件下，細菌生長首先完全停滯，然而經過一段遲滯期（lag time）后即可以完全恢復生長（lag time隨著過氧化氫濃度增加而顯著延長）。然而當過氧化氫濃度達到一個閾值（6 mM）時，此時細菌生長徹底停滯并失去了恢復生長的能力。深入的研究表明，過氧化氫脅迫造成了細菌tRNA的急劇降解，進一步導致了核糖體翻譯延伸速率的極大降低（正常條件為17 aa/s，在5 mM條件下可以降低到1 aa/s以下），全局性地抑制了細菌的逆境防御體系。核糖體翻譯延伸速率的降低導致細菌合成oxyR regulon相關逆境響應蛋白的顯著滯后。而在閾值濃度下（6 mM），核糖體的翻譯延伸徹底停滯，導致細菌氧化脅迫防御體系的全局性崩潰，進而無法在氧化脅迫中存活。
圖1: 過氧化氫介導的氧化脅迫抑制細菌的逆境響應過程進而抑制細菌的存活
該研究的重要貢獻在于首次揭示了核糖體翻譯延伸過程是決定細菌能否經受氧化脅迫的關鍵性生理指標。以往對逆境生理的研究主要集中在轉錄水平的響應（比如全局逆境響應體系，RpoS regulon），而該項研究是目前為此首次發(fā)現(xiàn)一種特定的逆境可以在翻譯水平抑制細菌的逆境響應過程，證明了細菌維持核糖體“速度”的重要生理性意義。
該研究是微生物定量與合成生物學實驗室今年第二次在Nucleic Acids Research發(fā)文，此前3月27號，課題組發(fā)表了題為題為“Growth suppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli”的研究論文，揭示了“魔斑”(p)ppGpp對細菌生長、蛋白質翻譯與基因表達的全局調控作用。該項研究也延續(xù)了該課題組過去在核糖體翻譯效率控制領域的系列重要進展。在以往的研究中，他們對大腸桿菌進行了有史以來最為系統(tǒng)的翻譯延伸效率的定量研究，系統(tǒng)界定了決定翻譯效率的三個關鍵指標即翻譯延伸速率、核糖體含量以及活性核糖體比例三者與生長速率的關系及控制模式（Dai et al 2017 Nature Microbiology）；建立了一種簡單方便的核糖體翻譯延伸速率的定量方法（Zhu et al 2016 Nucleic Acids Research）并揭示了高滲脅迫對細菌蛋白質翻譯效率的抑制模式（Dai et al 2018 mBio）；在這些工作的基礎上進一步形成了細菌生長與核糖體合成、蛋白質翻譯效率內在聯(lián)系的理論預測模型（Zhu & Dai 2018 Critical Rev Microbiol）。
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https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkz467/5498755
https://academic.oup.com/nar/article/47/9/4684/5420536?searchresult=1
https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016231
https://academic.oup.com/nar/article/44/20/e155/2607980?searchresult=1
https://mbio.asm.org/content/9/1/e02375-17
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/1040841X.2018.1425672?journalCode=imby20
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