戴雄風朱曼璐團隊提出細菌生長調控的權衡理論體系

華大在線訊（通訊員 李韌）近日，國際著名學術期刊Nature Communications《自然通訊》（Nature綜合類子刊）發表了我校生命科學學院戴雄風/朱曼璐團隊關于細菌生長調控與環境響應的最新理論進展，論文題目為“Shaping of microbial phenotypes by trade-offs”（https://www.nature.com/articles/s41467-024-48591-9）。朱曼璐教授為該論文的獨立第一作者，戴雄風教授為該論文的獨立通訊作者，我校為該論文的獨立完成單位。

1965年諾貝爾醫學與生理學獎得主Francois Jacob（與Jacques Monod一起提出了操縱子學說，是基因表達調控概念的奠基人）曾經說過：“每個細胞的夢想都是變成兩個細胞“。快速地生長繁殖是細菌、酵母與癌癥細胞等跨物種細胞的核心頂層設計規則。癌癥細胞本質上為真核細胞通過突變突破自身嚴謹的生長調控機制進而獲得類似于細菌無限增殖的能力。臨床上無論是采用抗生素治療細菌感染還是采用化療治療癌癥本質上主要是干預細胞的生長調控過程。因此細胞生長調控機制在生物學基礎前沿研究中具有極其重要的地位。

目前國際主流觀點認為快速生長可以使得細菌種群獲得競爭優勢，有利于種群適合度；且基因表達調控的一個重要目的即幫助細菌實現胞內資源的優化配置進而實現生長速率最大化。然而與“生長速率最大化”理論相悖的一個事實是：自然界各種細菌生長速率千差萬別，許多細菌天生不追求快生長，如遍布海洋及土壤的寡營養菌（oligotrophic bacteria）、臨床上的一些重要的致病菌如結核分枝桿菌等。因此單一地追求快速生長并不是細菌自然選擇的必然結果。

基于團隊近年來圍繞跨物種細菌生長調控機制的最新研究進展，該團隊提出了一個全新的細菌生長調控的權衡理論體系；與“生長最大化”理論完全不同的是，在這個理論體系中，生長表型沒有特殊地位，而僅僅是細菌眾多重要性狀中的一種。生長表型與細菌其它生死攸關的重要表型如逆境存活能力、適應波動營養能力、抗生素耐藥性、游動性等在細菌全局資源配置以及生理代謝方面存在內在的此消彼長（Trade-off）的關系。此時，細菌則需要感應自身環境變化從分子水平上對胞內資源進行統籌調控，進而在不同性狀進行權衡取舍。而在特定的選擇壓下，細菌胞內資源配置優先支持其它類型的性狀（如病原菌對宿主體內環境的耐受能力、抗生素耐藥性能力），導致慢生長表型的出現。而“生長速率最大化”僅僅是富營養菌（copiotrophic bacteria）如大腸桿菌等在營養條件極為豐富的條件下所追求的特殊情況。

值得一題的是，論文的最后部分討論了該權衡理論體系對于微生物學基礎前沿理論的重要意義，作者指出權衡理論有機地連接了微生物學的三個研究層次（底層的微生物分子遺傳學、中層的微生物生理學以及頂層的微生物生態學）。該權衡理論體系的核心是微生物生理學層面上圍繞生長表型與其它重要表型之間存在的此消彼長現象，該現象在分子水平上與細菌的基因表達調控與胞內資源配置策略息息相關，而在生態學層面上則會最終導致微生物表型多樣性的產生（圖1）。

圖1：通過生長調控的權衡理論體系將微生物學的三個研究層次進行了有機統一

該工作得到了國家重點研發計劃（青年科學家項目）、國家自然科學基金、武漢市科技重大專項、華中師范大學“學者名師支持計劃”以及中央高校基本科研業務費的資助。

（審讀人：邱保勝 徐芬）