挑战分子生物学传统认知，戴雄风团队揭示细菌转录与翻译偶联作用内在机制

来源：BioArt

原标题：Nat Micro：挑战分子生物学传统认知，戴雄风团队揭示细菌转录与翻译偶联作用内在机制

对于原核生物的基因表达过程来说，体内的mRNA转录与蛋白质翻译紧密联系。核糖体和RNA聚合酶的移动速度在生理条件下保持一致。RNA聚合酶在转录延伸的过程中，一个核糖体始终以相同的速度紧密跟随RNA聚合酶进行蛋白质翻译，该核糖体被称为“紧随核糖体”。该过程在半个世纪之前已经被研究者在电子显微镜下观察到。细菌翻译与转录过程的紧密偶联被写入了国际上许多经典的分子生物学教科书。而关于细菌如何维持转录与翻译的协调过程依旧模糊不清，近年来国际上许多研究组进行了大量的研究。目前主流观点认为核糖体与RNA聚合酶之间存在物理上的直接相互作用 【1-5】，核糖体在背后“推行”RNA聚合酶前进【6】，进而保持两者之间的紧密偶联。

2019年8月26日，华中师范大学微生物定量与合成生物学实验室戴雄风和朱曼璐团队在细菌翻译与偶联协调控制机制领域取得重要进展，联合加州大学圣地亚哥分校Terence Hwa教授课题组在Nature Microbiology以长文形式发表了题为Disruption of transcription-translation coordination in Escherichia coli leads to premature transcriptional termination的论文，该项研究挑战了业内主流观点，改写了人们对细菌转录翻译偶联现象机制的认知。同日，戴雄风博士应邀在Nature的Microbiology Community中“behind the paper”栏目撰文，分享了这项工作背后的故事。

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。

另外，该工作同时解决了该团队之前一项重要工作【7】的一个核心遗留问题，即亚致死剂量的抗生素如氯霉素降低细菌活性核糖体丰度的机制。研究发现氯霉素、红霉素等造成的转录提前终止现象，导致核糖体蛋白操纵子发生“极性”现象，进而造成各个核糖体蛋白的非协调合成，抑制核糖体装配；此外，转录提前终止还造成了核糖体翻译流产。两个因素同时导致了活性核糖体丰度的降低。

该项研究改写人们对转录与翻译偶联机制的传统认知，是该课题组在细菌生长与蛋白质翻译偶联协调机制领域的又一重要进展。今年3月，该课题组在Nucleic Acids Res发表了题为题为Growth suppression by altered (p)ppGpp levels results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli的研究论文，揭示了“魔斑”(p)ppGpp对细菌生长、核糖体合成与基因表达的全局调控作用【8】。5月，课题组再次在Nucleic Acids Res发表了题为Maintenance of translational elongation rate underlies the survival of Escherichia coli during oxidative stress的研究论文【9】，揭示了维持核糖体翻译延伸速度对决定细菌对抗氧化胁迫的关键性生理指标。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41564-019-0543-1

制版人：珂

参考文献

1. Kohler, R., Mooney, R. A., Mills, D. J., Landick, R. & Cramer, P. Architecture of a transcribing-translating expressome. Science 356, 194-197, (2017).

2. Demo, G. et al. Structure of RNA polymerase bound to ribosomal 30S subunit. eLife 6, doi:10.7554/eLife.28560 (2017).

3. Fan, H. et al. Transcription-translation coupling: direct interactions of RNA polymerase with ribosomes and ribosomal subunits. Nucleic Acids Res 45, 11043-11055, (2017).

4. Burmann, B. M. et al. A NusE:NusG complex links transcription and translation. Science 328, 501-504, (2010).

5. Burmann, B. M. et al. An alpha helix to beta barrel domain switch transforms the transcription factor RfaH into a translation factor. Cell 150, 291-303, doi:10.1016/j.cell.2012.05.042 (2012).

6. Proshkin, S., Rahmouni, A. R., Mironov, A. & Nudler, E. Cooperation between translating ribosomes and RNA polymerase in transcription elongation. Science 328, 504-508, (2010).

7. Dai, X. et al. Reduction of translating ribosomes enables Escherichia coli to maintain elongation rates during slow growth. Nat Microbiol 2, 16231 (2016).

8. Zhu M, Dai X.. Growth suppression by altered (p)ppGpp level results from non-optimal resource allocation in Escherichia coli. Nucleic acids Research gkz211 47(9) 4684–4693, (2019).

9. Zhu M, Dai X. (2019). Maintenance of translational elongation rate underlies the survival of Escherichia coli during oxidative stress. Nucleic acids Research gkz467 47(14) 7592-7604, (2019).