暨南大学发表细菌通过全局性翻译调控的研究最新成果

2015年6月30日 16:00:53 来源: 分析测试百科
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  2015年6月19日,国际著名期刊PLoS Genetics发表暨南大学生命与健康工程研究院的成果,首次揭示了细菌通过一种与真核生物完全不同的方式,通过全局调控翻译延伸来应对氧化压力。

  生物体需要快速应对各种环境中的不利因素,而活性氧(ROS)所造成的氧化压力是生物体所最经常遇到的不利环境之一。真核生物中也存在转录调控的氧化应激系统,其在酵母中需要45分钟才能起效。在此之前,真核生物多通过tRNA核转运、可逆性切割CCA尾、将tRNA切成两半这三种方式来迅速降低tRNA的量,来应对氧化压力。这看似会下调翻译,但越来越多的证据表明,真核细胞中相当多的基因在氧化应激下翻译反而更活跃,形成了一种复杂的应对方式。

  以前人们知道,细菌拥有应对氧化压力的专门系统(如SoxRS系统和OxyR系统),通过转录调控来应对氧化应激,需要20-30分钟才能起效。很显然,在这些系统起效之前,细菌需要有一种更为迅速的手段来响应氧化压力,那就只能是翻译调控。然而,细菌在氧化压力下的翻译调控却一直没有被研究清楚。这是为什么呢?

  主要的困难来自于技术层面上。真核生物的蛋白质合成可以很容易地由SILAC等标记质谱技术来进行大规模的周转率(turnover)定量研究,而原核生物,尤其是自养型细菌,存在着非常复杂的氨基酸转换代谢途径,使得SILAC无法被使用,从而难以研究蛋白质的周转率。用氮-15同位素代谢标记法进行全氮代谢标记,虽然可以标记新合成的蛋白质,但其质谱鉴定和定量却一直是个难题,以往的研究一般只能定量几十个蛋白,这对拥有数千个蛋白质的细菌而言无异于杯水车薪。另一方面,tRNA组的全定量测定一直是个难题,由于tRNA种类繁多、物理化学特征极为相似、序列高度保守、碱基修饰严重、二级和三级结构极为稳定等因素,对其进行特异性的分别测定极其困难,此前还没有tRNA特异性的单碱基分辨率全定量测定报道。

  暨南大学生命与健康工程研究院的何庆瑜、张弓教授团队为此开发了多项新技术。第一项技术是开发了全氮代谢标记蛋白质质谱的搜库算法,成功地定量了大肠杆菌细胞质中超过一千种蛋白质(总共约1500种),可以对细菌蛋白质的合成进行以分钟为单位的时序追踪。第二项技术是首次实现了tRNA特异性的全定量测序技术,可以富集tRNA,并使用一系列巧妙的实验和算法解决了种类繁多、物化特征相似、碱基修饰、强二级结构等问题,达到了单碱基分辨率。第三项技术是自行设计组装了一套细菌生长连续测定系统,在完全无干扰的情况下可以在摇动中每秒测定一次细菌的密度并实时记录,获得精密的细菌生长曲线。

  在这三项新技术的加持之下,研究者发现,在加入过氧化氢之后,蛋白质的合成立即减慢到几乎测不出的程度,这种响应在一两分钟内就已经发生。进一步的分析表明,氧化应激并没有造成细胞内大面积的蛋白质氧化损伤,翻译起始速率丝毫不受影响,而翻译延伸速率则严重减慢。在排除了各种可能因素之后,tRNA水平的突降是唯一的可能性。通过tRNA组全定量测序技术、qRT-PCR和凝胶电泳的三重验证,几乎所有的tRNA在氧化应激开始时都出现了严重的下调。不同于真核生物的几种途径,细菌经由酶促反应极为快速地降解tRNA,并且这种降解是不可逆的。而人工增加tRNA则可以加速翻译,在氧化应激的条件下使细菌更快地生长,保护大肠杆菌对抗更高浓度的过氧化氢,甚至耐受环丙沙星引起的ROS。

  作者同时强调,本研究的结果说明增强tRNA对细菌而言是一柄双刃剑:在正常状况下,过高的tRNA水平会减少翻译暂停,造成蛋白质折叠失败,进而导致细菌生长受阻;而在氧化压力下,较高的tRNA水平则能帮助细菌抵抗压力、渡过难关。因此tRNA对细菌而言并不总是越多越好的。

  为何原核生物与真核生物在面对同样的氧化压力下,其翻译调控策略有着明显的分野?作者仔细分析认为,由于真核生物生产tRNA代价高昂,因此多选择用可逆的方式把tRNA暂时”雪藏“起来,待氧化压力过去之后重新利用以避免从头合成;而原核生物由于tRNA组复杂度低、生产加工较快较容易,因此采取了简单粗暴的方式,需要降低tRNA时直接彻底降解,待氧化压力过去之后从头合成便是。

  传统上认为,细菌的调控主要是转录调控,翻译调控只占很小的比例。但该研究不仅发现了细菌快速应对氧化应激的全新机制,还为细菌耐药提供了全新的视角,显示出翻译的全局调控在细菌中同样扮演着极为重要的角色,是细菌的第一道防线。

  该论文共同通讯作者是暨南大学生命与健康工程研究院的何庆瑜博士和张弓博士。何庆瑜博士是“长江学者”特聘教授,一直致力于生物化学和功能蛋白质组学领域的研究工作。张弓博士一直从事翻译组学研究,2011年回国在暨大担任教授、博导,获国家优青、863青年科学家,组建”翻译组学实验室“,主要以高通量手段从整体上研究翻译过程。