需钠弧菌细胞大小及细胞周期与生长偶联的定量模式研究

Bacterial cell needs to coordinate cell cycle progression with biomass growth to maintain cell size hemostasis. Previous studies on bacterial cell cycle mainly focus on bacteria species containing single chromosome. However, little studies focus on bacteria containing two chromosomes. To our knowledge, Vibrio natriegens is the fastest-growing bacteria species known with a generation time being as short as 10 min. It contains two chromosomes, a long one and a short one, and is a potential new-generation host bacterium for microbial bioengineering. However, it remains unclear how it manages to coordinate the cell cycle with its rapid growth. In preliminary studies, we have measured the growth rate of V. natriegens under various growth conditions and have also identified the replication origin of its long chromosome. In addition, we found that nutrient limitation and osmotic stress could significantly affect its cell size. Combing molecular microbiology and quantitative biology approaches, this research aims to investigate how the fast-growing V. natriegens manages to coordinate the replication of the long chromosome and short chromosome. Based on this, we will further quantitatively study the coordination mode of cell size, cell cycle with growth rate of V. natriegens under different stress conditions. This research will help us gain a global insight into the mode of cell cycle regulation of bacteria species containing two chromosomes, further laying the theoretical foundation for the future application of V. natriegens on microbial industrialization, genetic engineering and synthetic biology.

细菌需要将细胞周期与生长偶联进而维持稳定的细胞大小。已有的关于细菌细胞周期的研究主要集中在含有单条染色体的细菌细胞，对双染色体细菌涉及较少。需钠弧菌是目前已知的增殖速度最快的细菌（快至10分钟一代）。它包含一长一短两条染色体，是潜在的新一代微生物工程菌。然而关于该细菌如何将细胞周期与快速生长进行偶联的机制尚不清楚。在前期研究中，申请人课题组测定了需钠弧菌在多种培养条件下的生长速率，同时确定了其长染色体的复制起始位点。此外申请人发现，营养限制与渗透压胁迫可以显著影响需钠弧菌的细胞大小。本项目将结合分子微生物学与定量生物学等手段研究需钠弧菌如何协调长染色体与短染色体的复制。在此基础上，研究在不同生长逆境下，需钠弧菌细胞大小、细胞周期以及生长速率三者之间的定量偶联模式，进而从全局角度理解双染色体细菌细胞周期的调控模式，为未来需钠弧菌的工业化、基因工程以及合成生物学应用提供理论依据。

为了实现种群稳定的生长与繁殖，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进行偶联以维持稳定的细胞大小。本项目主要聚焦需钠弧菌——目前已知的增殖速度最快的细菌，探究其生长调控机制以及细胞周期的内稳态机制。项目主要研究成果如下：（1）结合体内与体外实验，首次鉴定了需钠弧菌两条染色体的复制起始位点。并确定了长短染色体的协调复制采用“先后起始，同时结束”的模式。即长染色体早于短染色体率先起始复制，但二者同时终止复制。（2）成功建立了一种基于GFP报告基因的rRNA转录延伸速率的测定方法。证明了rRNA的快速合成是需钠弧菌快速增殖的重要原因，并且rRNA转录延伸速率是决定细菌核糖体合成能力的一个重要因素。（3）揭示了全局逆境相应因子——鸟苷四磷酸对细菌基因表达与生长的全局调控机制。发现鸟苷四磷酸可以对细菌蛋白质组资源配置进行全局调控，进而控制细菌的指数生长。进一步研究发现鸟苷四磷酸对基因表达的调控机制对于需钠弧菌快速适应营养下调（包括氨基酸饥饿下调以及碳源下调）至关重要。（4）证明了核糖体与生长速率的线性定律在快速增殖的需钠弧菌中的高度保守性，并且发现翻译延伸速率对于决定细菌的最快生长速率具有重要作用。（5）定量揭示了高渗胁迫对需钠弧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细菌的C期和D期。综上所述，该项目从全局层面上揭示了需钠弧菌的生长调控与细胞周期内稳态的维持机制，为未来的合成生物学应用打下了坚实的理论基础。