大肠杆菌核糖核苷酸还原酶对细胞周期与细胞大小的调控研究

Bacteria must coordinate biomass growth with cell cycle events to achieve cell size (volume) hemostasis. The period of chromosome replication (C-period) is a key step in the bacteria cell cycle. Previous work have shown that there exists a positive correlation between cell volume and cellular chromosome content in various stress conditions, indicating that chromosome replication plays a crucial role in cell size regulation. However, it remains a mystery how cell regulates the duration of C-period in molecular level and its detailed relationship with cell size. Ribonucleotide reductase (RNR) is the rate-limiting enzyme in synthesizing the dNTP substrates of DNA replication. Preliminary data have shown that artificial titration of RNR enables the controlling of C-period of E. coli and leads to substantial change of cell size and cellular DNA content. This indicates that RNR might be an important factor controlling E. coli cell cycle and cell size. Combining various kinds of growth stress conditions, the research proposal aims to study the relation between RNR expression level with dNTP level, C period and cell size of E. coli. This will elucidate the regulation of RNR on cell cycle and cell size in physiological conditions. This research will contribute to revealing the molecular mechanism of cell cycle in bacteria and deepening the understanding on how cells manage to maintain cell size hemostasis.

细菌需要将生长与细胞周期的各个步骤进行偶联以维持细胞大小（体积）内稳态。染色体复制时期（C期）是细菌细胞周期中的一个关键阶段。研究表明细菌细胞大小与染色体含量在多种逆境情况下都保持高度正相关，暗示染色体复制对于细胞大小的调控至关重要。然而，细菌如何在分子水平上控制C期以及其与细胞大小的具体关系依旧是一个谜团。核糖核苷酸还原酶是合成DNA复制底物dNTP的限速酶。前期工作表明：人工梯度控制核糖核苷酸还原酶的表达水平可以控制大肠杆菌的C期长度，并对细菌染色体含量以及细胞大小造成显著影响，暗示该酶可能是大肠杆菌细胞周期和细胞大小的重要调节因子。本项目拟综合多种生长逆境条件，研究核糖核苷酸还原酶表达水平与大肠杆菌dNTP含量、C期以及细胞大小的联系，阐明该酶在生理条件下对细胞周期与细胞大小的调控机制。该研究将有助于揭示细菌细胞周期调控的分子机制，加深人们对细菌如何维持细胞大小内稳态的理解。

细菌需要将生长与细胞周期的各个步骤进行偶联以维持细胞大小（体积）内稳态。本项目主要研究在多种生长逆境下，大肠杆菌细胞生长与细胞周期以及细胞大小的偶联机制。其中涉及蛋白质合成（主要关注但不局限于核糖核苷酸还原酶）在细菌生长与细胞大小调控中的重要作用。项目主要研究成果如下：（1）采用合成生物学与定量生物学手段揭示了核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide reductase, RNR）通过控制dNTP合成对大肠杆菌染色体复制时期（C期）进行调控，进而影响细菌细胞大小。证明了RNR是细菌细胞周期以及细胞大小内稳态的重要调控因子。（2）定量揭示了高渗胁迫对大肠杆菌细胞大小与细胞周期的影响。发现高渗胁迫可以显著延缓大肠杆菌的C期和D期。而作为补偿，细菌加快引发DNA复制起始的时机，进而保持细胞大小的内稳态。（3）研究了营养条件对苜蓿根瘤菌（一种生长缓慢的细菌）细胞周期与细胞大小的影响。发现对于缓慢生长的细菌，营养限制同样可以显著降低细菌的细胞大小，并对其细胞周期产生显著的影响。（4）揭示了鸟苷四磷酸对大肠杆菌细胞生长与蛋白质合成的全局调控机制，并进一步揭示了多种逆境胁迫对细胞生长与蛋白质合成的影响。综上所述，该项目系统性地揭示了蛋白质合成对于细菌生长与细胞周期及细胞大小调控的重要意义。相关理论预计对微生物工业化生产以及医疗相关领域具有理论指导意义。