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戴雄风朱曼璐团队提出细菌生长调控的权衡理论体系

日期:2024-05-20 作者:李韧 点击量:

华大在线讯(通讯员 李韧)近日,国际著名学术期刊Nature Communications《自然通讯》(Nature综合类子刊)发表了我校生命科学学院戴雄风/朱曼璐团队关于细菌生长调控与环境响应的最新理论进展,论文题目为“Shaping of microbial phenotypes by trade-offs”(https://www.nature.com/articles/s41467-024-48591-9)。朱曼璐教授为该论文的独立第一作者,戴雄风教授为该论文的独立通讯作者,我校为该论文的独立完成单位。

1965年诺贝尔医学与生理学奖得主Francois Jacob(与Jacques Monod一起提出了操纵子学说,是基因表达调控概念的奠基人)曾经说过:“每个细胞的梦想都是变成两个细胞“。快速地生长繁殖是细菌、酵母与癌症细胞等跨物种细胞的核心顶层设计规则。癌症细胞本质上为真核细胞通过突变突破自身严谨的生长调控机制进而获得类似于细菌无限增殖的能力。临床上无论是采用抗生素治疗细菌感染还是采用化疗治疗癌症本质上主要是干预细胞的生长调控过程。因此细胞生长调控机制在生物学基础前沿研究中具有极其重要的地位。

目前国际主流观点认为快速生长可以使得细菌种群获得竞争优势,有利于种群适合度;且基因表达调控的一个重要目的即帮助细菌实现胞内资源的优化配置进而实现生长速率最大化。然而与“生长速率最大化”理论相悖的一个事实是:自然界各种细菌生长速率千差万别,许多细菌天生不追求快生长,如遍布海洋及土壤的寡营养菌(oligotrophic bacteria)、临床上的一些重要的致病菌如结核分枝杆菌等。因此单一地追求快速生长并不是细菌自然选择的必然结果。

基于团队近年来围绕跨物种细菌生长调控机制的最新研究进展,该团队提出了一个全新的细菌生长调控的权衡理论体系;与“生长最大化”理论完全不同的是,在这个理论体系中,生长表型没有特殊地位,而仅仅是细菌众多重要性状中的一种。生长表型与细菌其它生死攸关的重要表型如逆境存活能力、适应波动营养能力、抗生素耐药性、游动性等在细菌全局资源配置以及生理代谢方面存在内在的此消彼长(Trade-off)的关系。此时,细菌则需要感应自身环境变化从分子水平上对胞内资源进行统筹调控,进而在不同性状进行权衡取舍。而在特定的选择压下,细菌胞内资源配置优先支持其它类型的性状(如病原菌对宿主体内环境的耐受能力、抗生素耐药性能力),导致慢生长表型的出现。而“生长速率最大化”仅仅是富营养菌(copiotrophic bacteria)如大肠杆菌等在营养条件极为丰富的条件下所追求的特殊情况。

值得一题的是,论文的最后部分讨论了该权衡理论体系对于微生物学基础前沿理论的重要意义,作者指出权衡理论有机地连接了微生物学的三个研究层次(底层的微生物分子遗传学、中层的微生物生理学以及顶层的微生物生态学)。该权衡理论体系的核心是微生物生理学层面上围绕生长表型与其它重要表型之间存在的此消彼长现象,该现象在分子水平上与细菌的基因表达调控与胞内资源配置策略息息相关,而在生态学层面上则会最终导致微生物表型多样性的产生(图1)。

图1:通过生长调控的权衡理论体系将微生物学的三个研究层次进行了有机统一

该工作得到了国家重点研发计划(青年科学家项目)、国家自然科学基金、武汉市科技重大专项、久产久精国九品网页版“学者名师支持计划”以及中央高校基本科研业务费的资助。

(审读人:邱保胜 徐芬)