發表細菌核糖體翻譯延伸速率測定方法研究論文-齊一生物

當生物體受到環境脅迫(如營養缺乏，藥物中毒等)時，其細胞內部的基本生命活動(如主管蛋白質翻譯的核糖體)如何應對環境變化調節其自身活性，是生命科學領域的重要研究課題。在微生物領域，對大腸桿菌的相關研究將有利于人們在認識生命現象的同時，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合成。因此蛋白質合成在細菌生長中處于核心環節，通過定量研究細菌的蛋白質合成，將有利于理解細菌是如何在不利環境下保持其自身活力的“星星之火”，度過艱苦歲月，并且在環境改善時恢復活力。核糖體是負責合成蛋白質的“工人”。蛋白質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的局限性，不適合定量生物學，特別是體內實時定量生物學的發展。此前王憶平課題組在《Nucleic acids Research》發表了題為“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(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，通過測定加入誘導物IPTG后新生融合蛋白的初始產出時間，測定報告基因產物β-galactosidase 阿爾法片段的初始產出時間，從而推導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誘導法(只能測定LacZ單個基因的數據)的局限性，具有較高的實用性。

本次論文在系統定量生物學的框架下，結合經典的細菌生理學，生物化學，分子生物學以及定量蛋白質質譜的手段，系統地研究了細菌在數十種營養條件下以及抗生素脅迫下，指數期蛋白質翻譯效率的兩個關鍵指標即核糖體的含量以及核糖體的翻譯延伸速率。發現在極其不利的逆境情況下(如貧瘠營養以及抗生素脅迫下)，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(工人數量)。但是與在較好營養條件下相比一個明顯的區別在于，細菌將大部分核糖體(工人)處于非活性狀態(“工人不上崗”)(參見圖1的定量結果，以及圖2的調控模型)。這樣一旦生長條件恢復正常，細菌就可以節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程序(工人全面開工模式)，恢復細菌的快速生長。

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

圖1. 不同營養條件下，細菌核糖體的活性比例與生長速率的定量關系

圖2. 活性核糖體調控的模型，較好營養情況下，胞內ppGpp水平較低，IF2介導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;在較差營養情況下，胞內的ppGpp水平大大提高，抑制了IF2介導的翻譯起始步驟，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。