暨南大學發表細菌通過全局性翻譯調控的研究最新成果

　　2015年6月19日，國際著名期刊PLoS Genetics發表暨南大學生命與健康工程研究院的成果，首次揭示了細菌通過一種與真核生物完全不同的方式，通過全局調控翻譯延伸來應對氧化壓力。

　　生物體需要快速應對各種環境中的不利因素，而活性氧(ROS)所造成的氧化壓力是生物體所最經常遇到的不利環境之一。真核生物中也存在轉錄調控的氧化應激系統，其在酵母中需要45分鐘才能起效。在此之前，真核生物多通過tRNA核轉運、可逆性切割CCA尾、將tRNA切成兩半這三種方式來迅速降低tRNA的量，來應對氧化壓力。這看似會下調翻譯，但越來越多的證據表明，真核細胞中相當多的基因在氧化應激下翻譯反而更活躍，形成了一種復雜的應對方式。

　　以前人們知道，細菌擁有應對氧化壓力的專門系統（如SoxRS系統和OxyR系統），通過轉錄調控來應對氧化應激，需要20-30分鐘才能起效。很顯然，在這些系統起效之前，細菌需要有一種更為迅速的手段來響應氧化壓力，那就只能是翻譯調控。然而，細菌在氧化壓力下的翻譯調控卻一直沒有被研究清楚。這是為什么呢？

　　主要的困難來自于技術層面上。真核生物的蛋白質合成可以很容易地由SILAC等標記質譜技術來進行大規模的周轉率(turnover)定量研究，而原核生物，尤其是自養型細菌，存在著非常復雜的氨基酸轉換代謝途徑，使得SILAC無法被使用，從而難以研究蛋白質的周轉率。用氮-15同位素代謝標記法進行全氮代謝標記，雖然可以標記新合成的蛋白質，但其質譜鑒定和定量卻一直是個難題，以往的研究一般只能定量幾十個蛋白，這對擁有數千個蛋白質的細菌而言無異于杯水車薪。另一方面，tRNA組的全定量測定一直是個難題，由于tRNA種類繁多、物理化學特征極為相似、序列高度保守、堿基修飾嚴重、二級和三級結構極為穩定等因素，對其進行特異性的分別測定極其困難，此前還沒有tRNA特異性的單堿基分辨率全定量測定報道。

　　暨南大學生命與健康工程研究院的何慶瑜、張弓教授團隊為此開發了多項新技術。第一項技術是開發了全氮代謝標記蛋白質質譜的搜庫算法，成功地定量了大腸桿菌細胞質中超過一千種蛋白質（總共約1500種），可以對細菌蛋白質的合成進行以分鐘為單位的時序追蹤。第二項技術是首次實現了tRNA特異性的全定量測序技術，可以富集tRNA，并使用一系列巧妙的實驗和算法解決了種類繁多、物化特征相似、堿基修飾、強二級結構等問題，達到了單堿基分辨率。第三項技術是自行設計組裝了一套細菌生長連續測定系統，在完全無干擾的情況下可以在搖動中每秒測定一次細菌的密度并實時記錄，獲得精密的細菌生長曲線。

　　在這三項新技術的加持之下，研究者發現，在加入過氧化氫之后，蛋白質的合成立即減慢到幾乎測不出的程度，這種響應在一兩分鐘內就已經發生。進一步的分析表明，氧化應激并沒有造成細胞內大面積的蛋白質氧化損傷，翻譯起始速率絲毫不受影響，而翻譯延伸速率則嚴重減慢。在排除了各種可能因素之后，tRNA水平的突降是唯一的可能性。通過tRNA組全定量測序技術、qRT-PCR和凝膠電泳的三重驗證，幾乎所有的tRNA在氧化應激開始時都出現了嚴重的下調。不同于真核生物的幾種途徑，細菌經由酶促反應極為快速地降解tRNA，并且這種降解是不可逆的。而人工增加tRNA則可以加速翻譯，在氧化應激的條件下使細菌更快地生長，保護大腸桿菌對抗更高濃度的過氧化氫，甚至耐受環丙沙星引起的ROS。

　　作者同時強調，本研究的結果說明增強tRNA對細菌而言是一柄雙刃劍：在正常狀況下，過高的tRNA水平會減少翻譯暫停，造成蛋白質折疊失敗，進而導致細菌生長受阻；而在氧化壓力下，較高的tRNA水平則能幫助細菌抵抗壓力、渡過難關。因此tRNA對細菌而言并不總是越多越好的。

　　為何原核生物與真核生物在面對同樣的氧化壓力下，其翻譯調控策略有著明顯的分野？作者仔細分析認為，由于真核生物生產tRNA代價高昂，因此多選擇用可逆的方式把tRNA暫時”雪藏“起來，待氧化壓力過去之后重新利用以避免從頭合成；而原核生物由于tRNA組復雜度低、生產加工較快較容易，因此采取了簡單粗暴的方式，需要降低tRNA時直接徹底降解，待氧化壓力過去之后從頭合成便是。

　　傳統上認為，細菌的調控主要是轉錄調控，翻譯調控只占很小的比例。但該研究不僅發現了細菌快速應對氧化應激的全新機制，還為細菌耐藥提供了全新的視角，顯示出翻譯的全局調控在細菌中同樣扮演著極為重要的角色，是細菌的第一道防線。

　　該論文共同通訊作者是暨南大學生命與健康工程研究院的何慶瑜博士和張弓博士。何慶瑜博士是“長江學者”特聘教授，一直致力于生物化學和功能蛋白質組學領域的研究工作。張弓博士一直從事翻譯組學研究，2011年回國在暨大擔任教授、博導，獲國家優青、863青年科學家，組建”翻譯組學實驗室“，主要以高通量手段從整體上研究翻譯過程。