南湖新闻网讯(通讯员 李新风 陈芳)近日，我校生命科学技术学院/农业微生物学国家重点实验室何进教授课题组在eLife上发表了题为“Clp protease and antisense RNA jointly regulate the global regulator CarD to mediate mycobacterial starvation response”的研究论文。该研究从全局性转录因子CarD入手，发现细菌在饥饿条件下从翻译层面和翻译后层面严格控制着CarD蛋白的水平，通过降低细菌的转录、翻译和代谢速率，来抵御饥饿压力。
结核病是世界第一大传染病，距今已有五千多年的历史。全球约三分之一的人体内携带结核病的病原菌——结核分枝杆菌，每年约1000万人转为活动性结核病，并且每年约150万人因结核病而死亡。结核病难以防治的一个主要原因是其病原菌在宿主压力环境下(比如营养饥饿、缺氧等)通常进入休眠状态，这赋予了结核分枝杆菌极强的抗逆性，使宿主细胞无法将其彻底清除。因此，探索分枝杆菌的饥饿响应机制，有助于阐明其休眠机理，为结核病的防治提供新的思路。
转录是细胞中非常重要的生理过程，该过程由RNA聚合酶主导。与大多数细菌不同，分枝杆菌中的RNA聚合酶自身几乎没有转录活性，其转录活性依赖于两个全局性转录因子CarD和RbpA的协同激活。CarD/RbpA与RNA聚合酶直接相互作用，通过增强转录起始复合物的稳定性来提高转录活性。其中，CarD调控着分枝杆菌中三分之二基因的表达(包括rRNA基因)，对于分枝杆菌的生长和生存至关重要，然而，CarD自身受到的调控目前还不清楚。
图1：AscarD在饥饿条件下抑制CarD的翻译
研究者在不同压力条件下分别测定了CarD的转录水平和蛋白水平，奇怪的是，CarD蛋白水平在饥饿条件下显著降低，但其转录本水平不降反升。这引起了研究者的兴趣。经过七年不懈努力，最终揭示了其中的奥秘。研究者发现，当分枝杆菌细胞从富营养状态转变到贫营养状态时，全局转录因子CarD在翻译水平和翻译后水平受到严格地调控。
首先，在翻译水平上：研究者首次发现carD存在反义RNA (anti-sense RNA)介导的顺式调控机制：即发现carD的反义链编码一个非编码RNA (将其命名为AscarD (Anti-sense carD))，AscarD受到σ因子SigF的调控，在稳定期和饥饿条件下特异性地表达，诱导表达的AscarD可与carD mRNA结合，影响了后者与核糖体的结合，抑制其翻译(图1)。另外，其结合能稳定carD转录本，使其产生“不降反升”的表型。
图2：Clp蛋白酶负责饥饿条件下CarD的高效降解
其次，在翻译后水平上，Clp蛋白酶复合体能高效识别并降解CarD。研究者发现，Clp蛋白酶通过识别CarD羧基端的保守motif“LAAAS”对其进行降解。敲除该motif阻断了Clp蛋白酶对CarD的降解，使细菌在稳定期/饥饿条件下仍保留较高水平的CarD。此外，蛋白酶复合物的去折叠亚基ClpC1在稳定期/饥饿条件下显著增加，这一方面促进了Clp活性复合物的组装，另一方面帮助了蛋白酶对CarD的识别，最终介导CarD的高效降解(图2)。
图3 反义RNA和Clp蛋白酶共同调节CarD介导分枝杆菌饥饿响应
总之，AscarD与Clp蛋白酶协同作用，从不同层面降低CarD的蛋白水平，以减缓分枝杆菌细胞的转录和翻译速度，最终帮助分枝杆菌细胞应对营养胁迫(图3)。该研究不仅拓展了我们对全局性转录调控因子CarD的认识，而且有助于我们更好地了解分枝杆菌在宿主环境中的适应、生存与休眠机制，为结核病的防治提供了新的思路。
博士后李新风和博士研究生陈芳并列为本文的第一作者，生命科学技术学院、农业微生物学国家重点实验室何进教授为通讯作者。台湾中兴大学教授/我校兼职教授周三和教授以及美国国立卫生研究院Michael Y. Galperin研究员参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金以及中国博士后科学基金的支持。
