細菌的mRNA監督系統響應冷刺激

大家好！今天推薦一篇molecular cell的文章，A Stress Response that Monitors and Regulates mRNA Structure Is Central to Cold Shock Adaptation。本文的通訊是UCSF的Carol A. Gross教授，Jonathan S. Weissman教授和現在在MIT的Gene-Wei Li教授。Carol A. Gross教授目前主要從事細菌里穩態通路的研究；Jonathan S. Weissman教授主要研究蛋白質的摺疊及其在正常生理或疾病條件下的表現；Gene-Wei Li教授發展定量工具從單分子和系統水平去研究蛋白表達量的調控和進化。

已知，在冷刺激下（生長條件從37℃變為10℃），細菌的蛋白翻譯會普遍被大大抑制，本文通過ribosome profiling，發現冷刺激後30min，細菌蛋白翻譯延遲速率下降50倍，起始翻譯下降4倍，蛋白合成速率總下降200倍，後續由於起始翻譯速率恢復而有所恢復。

此前本文作者發現在37℃的平穩期，菌內開放閱讀框mRNA越有結構，其蛋白合成的效率（TE）就越慢，本文發現在10℃這個關係仍存在，故猜測：冷刺激適應後期可能是開放閱讀框mRNA結構性的降低使得蛋白翻譯恢復。

為了尋找在適應期會導致翻譯增加的蛋白，首先，作者確定了冷刺激後每個蛋白從頭合成的速率，發現了45個上調5倍的基因，將這些基因進行單敲除和WT相比，發現只有rnr和cspA會嚴重影響冷刺激後適應期蛋白翻譯的恢復，且存在協同增效作用。

rnr編碼RNase R，其降解受損的rRNA，成熟tmRNA和參與低溫下tmRNA介導的nonstop mRNAs的降解。通過對WT和△rnr菌株分別在37℃或冷刺激後mRNAs的測定，發現RNase R通過促進mRNA的降解來介導其實翻譯的恢復。

cspA編碼蛋白CspA，是cold shock peotein家族的最主要的蛋白，作者發現其敲除使得冷刺激適應後期開放閱讀框mRNA仍保持結構，影響蛋白合成效率（TE）的恢復。此外，Csp家族蛋白對正常生長溫度下TE的保持也存在一定重要性。通過RNA結構鑒定，本文發現Csp蛋白的表達量尤其mRNA的結構所調節，且CspA蛋白通過結合自己的mRNA去改變它的5』UTR結構使其在10℃時與37℃時類似。

簡而言之，本文鑒定了一個雙成員的mRNA的監督系統，其在冷刺激後的適應期中對蛋白的翻譯恢復起到主導作用：RNase R確保適當的mRNA的降解，而Csp家族蛋白們通過動態調節mRNA的二級結構去全局調控蛋白的表達水平，且Csp蛋白存在自調節機制。Csp蛋白在細菌中的普適性表明了這一機制的潛在廣泛適應性。

原文引用：doi: 10.1016/j.molcel.2018.02.035

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