朱曼璐、戴雄風(fēng)課題組揭示細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控的新機(jī)制
諾貝爾獎得主Francois Jacob曾經(jīng)說過：“每個細(xì)胞的夢想是變成兩個細(xì)胞” (“The dream of every cell is to become two cells”)。為了保持種群穩(wěn)定的生長與繁殖，細(xì)菌必須采用可靠的策略將細(xì)胞的生長與細(xì)胞周期的各個步驟偶聯(lián)起來進(jìn)而維持一定的細(xì)胞大小(體積)。 維持細(xì)胞大小的穩(wěn)定性是原核生物和真核生物細(xì)胞的基本共性。細(xì)胞大小對幾乎所有類型的細(xì)胞生理活動都有著重要的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，許多抗生素的作用靶標(biāo)針對的即是細(xì)胞周期的各個關(guān)鍵步驟，因而其與抗生素作用機(jī)制和耐藥性問題同樣相關(guān)。此外，許多重大疾病如癌癥都是與細(xì)胞周期密不可分的。所以研究細(xì)胞周期與細(xì)胞大小的調(diào)控機(jī)制是生物學(xué)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
大腸桿菌的細(xì)胞周期包括兩個關(guān)鍵時期，C期以及D期。C期為染色體復(fù)制時期(從起點(diǎn)oriC到終點(diǎn)ter所需要的時間，反映了DNA復(fù)制叉移動的速率。D期為染色體復(fù)制完成到細(xì)胞分裂完成之間的時間。細(xì)菌在染色體復(fù)制起始后，經(jīng)歷C+D時期后發(fā)生細(xì)胞分裂。然而目前人們對大腸桿菌細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制尚不明確。
圖1 （上）RNR表達(dá)量對細(xì)菌體積的影響。
RNR低水平表達(dá)可以顯著增加細(xì)菌細(xì)胞體積。（下）RNR調(diào)控細(xì)菌細(xì)胞周期與體積的“電池”模型。細(xì)菌細(xì)胞周期分為染色體起始前期、染色體復(fù)制時期（C期）以及染色體復(fù)制完成到細(xì)胞分裂完成之間的時期（D期）。當(dāng)RNR表達(dá)水平較低時（“電池含量低”），細(xì)菌體內(nèi)dNTP濃度降低（淡紫色），導(dǎo)致染色體復(fù)制時期顯著延長，造成細(xì)菌體積顯著增加。
近期我院朱曼璐、戴雄風(fēng)課題組與北京大學(xué)王憶平教授課題組合作，采用合成生物學(xué)手段將基因回路引入細(xì)菌細(xì)胞中，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)菌核糖核苷酸還原酶（Ribonucleotide reductase, RNR）表達(dá)量的精確控制。他們發(fā)現(xiàn)通過梯度控制RNR的表達(dá)量，可以實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌胞內(nèi)DNA復(fù)制底物即四種dNTP分子含量的精確控制。當(dāng)RNR表達(dá)濃度很低時，細(xì)菌體內(nèi)dNTP濃度降低，導(dǎo)致C期（染色體復(fù)制時期）顯著增加進(jìn)而造成細(xì)胞周期的遲滯。細(xì)胞周期的遲滯進(jìn)一步造成了細(xì)菌體積的顯著增加（圖1上）。因此，RNR可以像一個“電池”一樣通過控制細(xì)菌體內(nèi)的dNTP底物濃度進(jìn)而控制細(xì)胞周期和細(xì)胞體積（圖1下）。研究中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過表達(dá)RNR蛋白時，C期可以顯著降低，低于前人報道中野生型細(xì)菌在各種營養(yǎng)環(huán)境下的C期值。表明野生型細(xì)菌在生理?xiàng)l件下生長時，其染色體復(fù)制叉移動速率并沒有發(fā)揮到全部潛力。細(xì)菌有意識地通過嚴(yán)謹(jǐn)控制RNR的表達(dá)量，進(jìn)而保持了亞飽和的dNTP底物濃度，這樣可以避免dNTP濃度失控而增加DNA突變頻率。
該研究揭示了RNR調(diào)控細(xì)菌細(xì)胞周期和體積的重要作用，同時表明了合成生物學(xué)在揭示生命基本奧秘規(guī)律的強(qiáng)大作用。相關(guān)研究成果以“Manipulating the bacterial cell cycle and cell size by titrating the expression of ribonucleotide reductase” (http://mbio.asm.org/content/8/6/e01741-17) 為題發(fā)表于國際微生物學(xué)一流雜志美國微生物學(xué)學(xué)會（ASM）會刊mBio。mBio的總主編Arturo Casadevall教授對該研究給予了高度評價，認(rèn)為該項(xiàng)研究屬于業(yè)內(nèi)Top 10%級別的發(fā)現(xiàn)。北京大學(xué)王憶平教授為本文的通訊作者，我校朱曼璐戴雄風(fēng)副教授為共同第一作者。
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