生命科学学院王忆平课题组在细菌细胞周期调控研究领域再次发现新机制

了解细菌如何和谐其生长与细胞周期，以维持其细胞大小的平衡是生物学上的一个紧张课题。诺贝尔奖得主Francois Jacob曾经说过: “每个细胞的梦想是变成两个细胞(The dream of every cell is to become two cells)。”以细菌为例，处于指数期增殖状况的细菌复活细胞首先体积增大至初始的两倍，随后在细胞的中心部位发生分裂产生两个同样大小的姊妹细胞，进而周而复始地重复该过程。这个看似简单的过程包含了数个邃密调控的基本步骤：细胞的生长、染色体的复制肇端、复制与星散以及细胞分裂。为了保持种群稳固的生长与滋生，细菌必须采用可靠的策略将细胞的生长与细胞周期的各个步骤偶联起来进而维持肯定的细胞大小(体积)。

维持细胞大小的稳固性是原核生物和真核生物细胞的基本共性。细胞大小对几乎所有类型的细胞心理运动都有偏重要的影响。比如对于细菌来说，细胞大小会影响细胞比外观积，细胞比外观积与营养物质的转运吸取痛痒相关, 进而对细菌在营养匮乏等恶劣环境下的存活特别很是紧张。此外，细胞大小还会影响细菌的细胞质组成,与染色体、核糖体以及蛋白质等生物大分子的丰度都痛痒相关。在现实应用中，很多抗生素的作用靶标针对的即是细胞周期的各个关键步骤，因而其与抗生素作用机制和耐药性题目同样相干。此外，细胞周期调控与生物固氮痛痒相关。当根瘤菌进入豆科植物进行共生固氮时，豆科植物会释放一些短肽类物质对根瘤菌的细胞周期进行作用，使得根瘤菌形成拟菌体的结构，此时根瘤菌胞内的基因组拷贝数可以从一两个拷贝增长到几十个拷贝，细胞体积也比其自由生长状况明显增长。该发育过程对共生固氮的服从至关紧张。

大肠杆菌的细胞周期包括两个关键时期——C期以及D期。C期为染色体复制时期（从起点oriC到尽头ter所必要的时间）, 反映了DNA复制叉移动的速率。D期为染色体复制完成到细胞分裂完成之间的时间。细菌在染色体复制肇端后,经历C+D时期后发生细胞分裂。然而目前人们对大肠杆菌细胞周期调控的分子机制尚不明确。

王忆平课题组采用合成生物学手段将基因回路引入到细菌细胞中，实现了对细菌核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide reductase, RNR）表达量的正确控制。他们发现通过梯度控制RNR的表达量，可以实现对细菌胞内DNA复制底物即四种dNTP分子含量的正确控制。当RNR表达浓度很低时，细菌体内dNTP浓度降低，导致C期（染色体复制时期）明显增长进而造成细胞周期的迟滞，进一步造成了细菌体积的明显增长（图1，上）。因此，RNR可以像一个“电池”一样通过控制细菌体内的dNTP底物浓度进而控制细胞周期和细胞体积（图1，下）。

研究进一步发现，当过表达RNR蛋白时，C期可以明显降低，低于前人报道中野生型细菌在各种营养环境下的C期值。这注解野生型细菌在心理条件下生长时，其染色体复制叉移动速率并没有发挥出其悉数潜力。细菌故意识地通过严谨控制RNR的表达量，进而保持了亚饱和的dNTP底物浓度，如许可以避免因dNTP浓度过高而增长的DNA突变频率，以保证其下一代的遗传正确性。

  图1 （上）RNR表达量对细菌体积的影响。RNR低水平表达可以明显增长细菌细胞体积。（下）RNR调控细菌细胞周期与体积的“电池”模型。细菌细胞周期分为染色体肇端前期、染色体复制时期（C期）以及染色体复制完成到细胞分裂完成之间的时期（D期）。当RNR表达水平较低时（“电池含量低”），细菌体内dNTP浓度降低（淡紫色），导致染色体复制时期明显延伸，造成细菌体积明显增长。

该研究揭示了核糖核苷酸还原酶RNR在调控细菌细胞周期和体积过程中的作用，同时也展示了合成生物学在揭示生命基本奥秘规律研究中的壮大威力。相干研究成果以“Manipulating the bacterial cell cycle and cell size by titrating the expression of ribonucleotide reductase”为题发表在美国微生物学学会会刊mBio上（mBio的总主编Arturo Casadevall教授以“such outstanding work”高度评价该研究工作）。北大已卒业的朱曼璐博士（2011级PTN）与戴雄风博士（2011级）（现均为华中师范大门生命科学学院副教授）为本论文的共同第一作者，王忆平教授为该论文的通信作者，本研究得到了国家天然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

这是王忆平课题组在该领域的第二个研究成果。此前课题组与美国加州大学圣地亚哥分校Terry Hwa教授合作，研究发现过表达无用基因（编码-半乳糖苷酶的lacZ基因）会使细胞增大，进而提出了细胞通过感应特定控制细胞分裂相干蛋白的表达量，控制细胞分裂周期的调控模型。该研究成果以“Inflating bacterial cells by increased protein synthesis”为题于2015年发表在体系生物学权威杂志Molecular Systems Biology上。

编辑：白杨