科学家发现有关失控转录的新规则

在进化树上，人类从大约10亿年前的酵母中分离出来。相比之下，两个看似相似的细菌大肠埃希氏菌和枯草芽孢杆菌已经进化了大约两倍的时间。换句话说，步行，说话的两足动物在生命树上与单细胞真菌的距离比这两种细菌的​​距离更近。实际上，越来越清楚的是，一种细菌的真实情况可能对另一种细菌却不正确，即使它涉及生命中最基本的生物途径。

大肠杆菌在科学研究中已成为模型生物，已经有一个多世纪的历史了，它帮助研究人员解析了许多基本过程，包括基因表达。在这些细菌中，作为一种分子机器，RNA聚合酶沿着将其转录为RNA的DNA进行移动，紧随其后的是另一种分子机器，即核糖体，它将RNA转化为蛋白质。这种“耦合”的转录翻译有助于监测和调节RNA的输出，被认为是细菌的标志。

但是，一个由生物学家和物理学家组成的跨学科团队最近表明，枯草芽孢杆菌细菌采用了一套不同的规则。枯草芽孢杆菌中的聚合酶不是与核糖体协同工作，而是向前发展。这种“失控”转录系统为RNA质量控制创造了替代规则，并提供了对细菌物种绝对多样性的见解。

生物学副教授，该研究的高级作者李健伟(Gene-Wei Li)说：“包括我自己在内的研究人员一代都被告知，转录结合翻译是细菌基因表达的基础。” “但是，我们非常精确的定量测量结果推翻了人们长期以来的看法，这项研究可能只是冰山一角。”

该论文的主要作者是生物学系的研究生 Grace Johnson 和物理系的研究生Jean-BenoîtLalanne，该论文于8月26日发表在《自然》杂志上。

一个奇怪的线索

在2018年，Lalanne开发了一种测量RNA转录本边界的实验技术。当将DNA转录为RNA时，生成的转录本通常比DNA编码序列长，因为它们还必须在末端包括一个额外的位以向聚合酶发出信号。Lalanne注意到，在枯草芽孢杆菌中，编码序列的末端与RNA转录物的末端之间根本没有足够的空间-额外的编码太短，无法同时容纳聚合酶和核糖体。在这种细菌中，似乎不可能进行转录-翻译偶联。

拉兰尼回忆说：“这是一个非常奇怪的发现。” “这与公认的教条并不一致。”

为了进一步研究这些令人费解的发现，Johnson测量了枯草芽孢杆菌中RNA聚合酶和核糖体的速度。她惊讶地发现它们的移动速度非常不同：聚合酶的移动速度大约是核糖体的两倍。

在大肠杆菌中进行偶联转录翻译时，核糖体与RNA聚合酶紧密相关，以至于它可以控制转录何时终止。如果RNA编码一个“过早的”信号使聚合酶停止转录，附近的核糖体可以掩盖它并刺激聚合酶继续前进。但是，如果出现问题，并且核糖体在聚合酶后面停滞太远，则称为Rho的蛋白质可能会介入，以终止这些过早位点的转录，从而停止产生这些大概无功能的转录本。

但是，在枯草芽孢杆菌中，核糖体总是远远落后于聚合酶，无法发挥其掩盖作用。相反，约翰逊发现Rho可以识别RNA本身编码的信号。这使得Rho可以在确保不抑制所有RNA的同时防止选择RNA的产生。但是，这些特定信号也意味着Rho在枯草芽孢杆菌中的作用可能比在大肠杆菌中更有限。

家庭特征

为了评估失控转录的普遍性，Lalanne创建了从1000多种细菌中筛选基因组的算法，以识别转录本的末端。在许多情况下，转录本末尾没有足够的空间容纳RNA 聚合酶和核糖体，这表明还有200多种细菌也依赖失控的转录。

李说：“看到这种现象有多么广泛，真是令人惊讶。” “这提出了一个问题：我们已经研究了这么多年的这些模型生物，我们真的了解多少?”

加州大学旧金山分校微生物学和免疫学系教授卡罗尔·格罗斯(Carol Gross)并未参与这项研究，他将这项工作称为“巡回演习”。

她说：“ ​​Gene-Wei Li和他的同事表明，转录-翻译偶联被认为是细菌基因调控的基本特征，但并不普遍。” “相反，失控的转录导致许多其他的调控策略，从而为我们在各种环境中蓬勃发展的细菌策略研究开辟了新的领域。”

随着研究人员扩大实验范围以涵盖更多类型的细菌，他们正在更多地了解这些微生物的基本生物过程-这对从人体中有用的肠道微生物到有害病原体等在人体中驻留的微生物产生了影响。

约翰逊说：“我们开始意识到细菌可以通过不同的方式调节基因表达并应对环境压力。” “这仅显示了我们研究日益多样化的细菌时还有多少有趣的生物学尚未发现。”