北大教授连发Nature子刊，NAR文章：解答细菌为何能“不死”

当生物体受到环境胁迫（如营养缺乏，药物中毒等）时，其细胞内部的基本生命活动（如主管蛋白质翻译的核糖体）如何应对环境变化调节其自身活性，是生命科学领域的重要研究课题。

　　生物体受到环境胁迫（如营养缺乏，药物中毒等）时，其细胞内部的基本生命活动（如主管蛋白质翻译的核糖体）如何应对环境变化调节其自身活性，是生命科学领域的重要研究课题。在微生物领域，对大肠杆菌的相关研究将有利于人们在认识生命现象的同时，揭示抗生素等抑制剂对细菌生长的作用机制，掌握控制及杀灭病原微生物的方法，以应对耐药细菌对人类日益增长的威胁。

常言道“百足之虫死而不僵”，那么如果是大肠杆菌这样的单细胞生物，它又是如何“不死”的呢？对于细菌来说，蛋白质占其干重的60%到80%，消耗细菌2/3的能量支出，促使细菌将最主要的代谢与能量资源用于其蛋白质合成。因此蛋白质合成在细菌生长中处于核心环节，通过定量研究细菌的蛋白质合成，将有利于理解细菌是如何在不利环境下保持其自身活力的“星星之火”，度过艰苦岁月，并且在环境改善时恢复活力。核糖体是负责合成蛋白质的“工人”。蛋白质的合成速率一般认为取决于两个指标即核糖体的含量（工人数量）以及单位核糖体的翻译延伸速率（工人工作速度）。

在技术方面，目前已有的针对细菌核糖体翻译延伸速率的测定方法有相当的局限性，不适合定量生物学，特别是体内实时定量生物学的发展。为此王忆平课题组在核酸研究上发表了新技术成果，建立了一种基于著名的beta-半乳糖苷酶互补系统(complementation system)的方法，用来实时的测定细菌翻译延伸速率。

这一方法通过将不同目的基因的末端与一个小的β-galactosidase 阿尔法片段（编码β-galactosidase N端起始60个氨基酸）融合，通过测定加入诱导物IPTG后新生融合蛋白的初始产出时间，测定报告基因产物β-galactosidase 阿尔法片段的初始产出时间，从而推导出不同基因的翻译延伸速率。该方法快捷简单，解决了已有的两种方法即同位素示踪法（需要双同位素标记以及2-D电泳分离，非常繁琐耗时）以及LacZ诱导法（只能测定LacZ单个基因的数据）的局限性，具有较高的实用性。

另外在理论方面，王忆平课题组与美国加州大学圣地亚哥分校定量生物学中心Terence Hwa课题组合作在Nature Microbiology杂志上发文，揭示了细菌应对环境变化“能屈能伸”的鲁棒性（robustness），即使环境极其恶劣其细胞内部也保有充沛精力（核糖体数量），并时刻准备着环境改善的时机到来。

在这篇文章中，研究人员在系统定量生物学的框架下，结合经典的细菌生理学，生物化学，分子生物学以及定量蛋白质质谱的手段，系统地研究了细菌在数十种营养条件下以及抗生素胁迫下，指数期蛋白质翻译效率的两个关键指标即核糖体的含量以及核糖体的翻译延伸速率。发现在极其不利的逆境情况下（如贫瘠营养以及抗生素胁迫下），细菌依旧保持了较高的核糖体翻译延伸速率（工人工作速度）以及核糖体的含量（工人数量）。但是与在较好营养条件下相比一个明显的区别在于，细菌将大部分核糖体（工人）处于非活性状态（“工人不上岗”）。这样一旦生长条件恢复正常，细菌就可以节省出大量新生核糖体的合成时间，立即启动核糖体活性上调程序（工人全面开工模式），恢复细菌的快速生长。

这一研究阐明在生理条件下，活性核糖体比例（核糖体“上岗率”）也应该作为决定细菌蛋白质翻译和生长速率的一个计算参数，从而可以定量理解和预测细菌在生理条件下尤其是各种严苛环境下的生存策略（如生态环境中的贫瘠营养情况以及在应对体内抗生素攻击情况），揭示了细菌应对环境变化“能屈能伸”的鲁棒性（robustness），即使环境极其恶劣其细胞内部也保有充沛精力（核糖体数量），并时刻准备着环境改善的时机到来。

北京大学生命科学学院博士研究生朱曼璐（2011级PTN）为《核酸研究》论文的第一作者，博士研究生戴雄风（2011级）与王忆平教授为该论文的共同通讯作者，相关研究得到了国家自然科学基金的资助。戴雄风和朱曼璐为《自然•微生物学》论文的共同第一作者。北京大学王忆平教授与加州大学圣地亚哥分校Terence Hwa教授为该论文的共同通讯作者。相关研究工作得到美国的Simon Foundation和中国国家自然科学基金的资助。

作者简介：

王忆平
1984年-1985年在中科院植物研究所固氮研究室做实习研究员；1986年在德国比勒费尔德大学遗传学系做访问学者；
1991年-1992年，爱尔兰Bio-Research Ireland Food Biotechnology Center，Research Scientist；
1993年在法国巴斯德研究所分子生物学部做博士后；
1994年8月-1999年6月北京大学生命科学学院副教授；
1999年7月至今北京大学生命科学学院教授。
1999年国家杰出青年基金获得者

实验室主要兴趣在于：　　　　
　　多年来，本实验室的工作得到国际同行的认可。主要得到国家自然科学基金、国家科技部“863”、“973”项目基金、国家教育部基金资助、中法先进合作项目、Human Frontier Science Program等项目资助。主要工作包括：大肠杆菌及相关细菌中的基因调控网络，尤其是碳代谢和氮代谢的调控偶联；大肠杆菌及相关细菌中的基因调控机理；植物与微生物相互作用的分子生物学及功能基因组学研究；生物修复领域的研究（功能基因的分离）；合成生物学及生物固氮；大肠杆菌定量生物学研究等。取得的主要成就有，发现原核基因表达调控中碳代谢及氮代谢之间的新的偶联作用及其分子机理；发现DNA物理特性参与基因表达调控（该成果被国际知名学术网站Faculty of 1000 推荐）；提出了激活蛋白－启动子DNA－σ54-RNA聚合酶所形成的激活复合体的“三明治”结构模型（该成果被国际知名学术网站Faculty of 1000 推荐；使用合成生物学方法，我们使用T7 RNA聚合酶表达系统替代原有的σ54 RNA聚合酶对固氮基因簇的转录调控，绕开了原有固氮基因簇对转录调控系统中14种调控蛋白的依赖，为最终实现固氮基因向真核系统的转移打下坚实的基础；以肺炎克氏杆菌钼铁固氮基因簇为底盘，成功的在大肠杆菌中构建了杂合的铁铁固氮酶体系，从而在不损失酶活的前提下，成功构建了杂合的只含有10个结构基因的最小铁铁固氮酶体系。这一体系的建立，成功的绕开了我国缺乏钼元素，及植物学界关于线粒体、叶绿体内钼元素缺乏等问题，为最终实现固氮基因向真核系统的转移打下坚实的基础。

原文标题：

Real time determination of bacterialin vivoribosome translation elongation speed by LacZα complementation system

Reduction of translating ribosomes enablesEscherichia colito maintain elongation rates during slow growth