华中师范揭示大肠杆菌转录动力学的作用机制 在不同的生长条件下

作者:见证发现 来源:字幕公社 浏览: 【 】 发布时间:2020-03-30 12:54 评论数:

转录和翻译之间的紧密协调对于维持细菌基因表达的完整性至关重要,然而细菌如何协调这两个过程尚不清楚,科学家没一直致力于解开这个谜题。2019年8月26号,华中师范大学戴雄风研究团队等人在Nature Microbiology上在线发表了题为Disruption of transcription–translation coordination in Escherichia coli leads to premature transcriptional termination的研究论文。在这里,研究人员定量地描述了大肠杆菌在不同生长条件下的转录动力学。同时,还提出了一个模型,在正常生长条件下转录和翻译伸长之间的协调是由四磷酸鸟苷实现的。


华中师范揭示大肠杆菌转录动力学的作用机制


与此同时,戴雄风研究团队,2019年3月27日在Nucleic Acids Research发表了题为“Growthsuppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resourceallocation inEscherichia coli”的研究论文。该研究首次系统地揭示了(p)ppGpp对细菌指数生长与基因表达的全局调控功能(点击阅读);2019年5月27号,在Nucleic Acids Research发表了题为“Maintenanceof translational elongation rate underlies the survival of Escherichia coli during oxidative stress”的研究长文,首次揭示了核糖体翻译延伸过程是决定细菌能否经受氧化胁迫的关键性生理指标(点击阅读)。


在不同的生长条件下,RNA聚合酶(RNAP)与核糖体的相同延伸速度表明,在细菌细胞中转录和翻译过程是紧密协调的。在无意义突变或核糖体停顿等情况下,缺乏协调可能导致转录提前终止,影响下游基因的表达,如‘极性’现象。尽管转录-翻译协调的重要性,但其潜在机制仍不清楚。研究表明,在基因表达过程中,拉长的RNAP与尾随的核糖体密切相关。


先前的研究表明,在多种生长条件下,尾核糖体可以抑制RNAP的自发回溯,从而有效地推动RNAP的延长,从而与RNAP和核糖体在多种生长条件下的速度相匹配。结构和生化研究表明,核糖体可以直接与RNAP相互作用,也可以通过NusG蛋白或其同系物RfaH 的桥联间接作用,为核糖体-RNAP偶联提供了一种物理机制。直接物理耦合与锤头催化裂解信使RNA的结果不一致,后者不影响中间区蛋白质的合成。因此,尚不清楚是否和在何种条件下会发生直接偶联,如果没有,细菌细胞如何设法协调转录和翻译的延伸。


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在该项研究中,研究者首先建立了一个转录延伸动力学的精细测定手段。在此基础上,整合了多种逆境环境下细菌转录与翻译延伸的动力学状态。他们发现,在不同营养条件下(生长速率从20分钟一代到1天一代,包括在营养完全耗尽状态),细菌可以保持RNA聚合酶与核糖体延伸速率的一致,进而维持转录翻译的紧密协调。而当采用抗生素或无义突变使得核糖体速率降低甚至彻底停滞,发现细菌RNA聚合酶的转录速率不受影响,发生转录翻译解偶联现象,此时Rho因子会造成转录提前终止,造成基因表达流产进而抑制细菌生长生理。该研究表明RNA聚合酶与核糖体的协调是条件性的,否定了RNA聚合酶的高速移动需要核糖体的协助(即“推行”)这一观点。进一步的定量研究表明,在不同营养条件下,大肠杆菌使用“超级中枢分子”魔斑(p)ppGpp同时控制RNA聚合酶与核糖体的移动速度,进而保持转录与翻译的紧密偶联。


近年来,人们对RNA聚合酶与核糖体之间可能的直接物理偶联进行了深入的研究。在此,研究人员定量地描述了大肠杆菌在不同生长条件下的转录动力学。转录和翻译延伸保持协调在各种营养条件下,正如以前的报道然而,在减缓翻译伸长的抗生素作用下,转录伸长率没有受到影响。这一结果也是通过引入完全将转录与翻译分离的无意义突变发现的。


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因此,该研究数据提供了直接证据,证明不需要翻译来保持转录伸长的速度。在转录和翻译分离的情况下,研究提供了早期转录终止(PTT)过程的定量表征。翻译靶向抗生素引起的PTT介导的极性对几种长时间操作中基因的协调表达产生了很大的影响,从而导致了这些抗生素的关键生理效应。该结果还提出了一个模型,在正常生长条件下转录和翻译伸长之间的协调是由四磷酸鸟苷实现的。


关于转录


转录(Transcription)是遗传信息从DNA流向RNA的过程。即以双链DNA中的确定的一条链(模板链用于转录,编码链不用于转录)为模板,以ATP、CTP、GTP、UTP四种核苷三磷酸为原料,在RNA聚合酶催化下合成RNA的过程。