莫日根教授团队在DNA复制与细菌适应性研究方面取得进展

氧气是需氧生物生存的必需物质，但在有氧呼吸过程中会产生活性氧（ROS）。当ROS积累超过细胞清除能力时，会诱发氧化损伤，影响细胞功能甚至导致细胞死亡。在宿主-病原菌相互作用中，人体免疫细胞会利用ROS作为武器来清除感染细菌，而细菌则进化出了包括抗氧化酶和氧化损伤修复系统在内的复杂防御机制。研究表明，当免疫细胞产生的ROS不足以致死时，反而会促使胞内细菌进入休眠状态，导致慢性感染的发生。在工业发酵过程中，有氧发酵效率往往在后期显著下降，这主要归因于氧化压力引起的细胞活性降低和细菌周期延缓。

近期，莫日根教授团队系统研究了低水平H₂O₂暴露和不同抗氧化酶缺失突变导致的非致死性氧化压力对大肠杆菌复制起始的影响。研究发现，不同原因介导的非致死性氧化压力都会抑制复制起始。基于蛋白酶的分子机制表明，Lon蛋白酶与H₂O₂介导的复制起始抑制相关，而与抗氧化酶KatE和SodASodB缺失突变介导的复制抑制无关。ClpP和HslV仅是ΔkatE突变体复制起始的正调控因子，而HflK则是ΔkatE和ΔsodAΔsodB突变体复制起始的负调控因子。这体现了不同原因介导的非致死性氧化压力抑制复制起始的机制差异。该成果以“Uncovering the effects of non-lethal oxidative stress on replication initiation in Escherichia coli” 为题，于2025年1月15号正式发表于遗传学国际期刊Gene（DOI: 10.1016/j.gene.2024.148992）。乔佳鑫博士和博士生杜冬冬为该文第一作者，朱伟伟博士和莫日根教授为通讯作者，研究生王瑶、席领军参与了该研究。

上述研究表明，非致死性氧化压力会抑制大肠杆菌的复制起始。但是不同原因介导的氧化应激抑制复制起始的共性机制仍不清楚。研究发现氧化应激也参与了铁调节缺陷（fur-bfr-dps 缺失）对复制起始的抑制。低ATP水平是不同原因引起的氧化应激抑制复制起始的共同因素之一。随后利用蛋白质组学筛选了更多潜在的共同因素，并用 H₂O₂ 应激进行了遗传学验证。发现天冬氨酸等氨基酸代谢，细胞色素C合成，外排泵蛋白MdtABCD和阿拉伯糖转运体AraFHG参与了氧化应激对复制起始的调节。总之，这项研究揭示了不同原因引起的氧化应激抑制复制启动的多因素共同途径。休眠和持续存在的细菌表现出细胞周期停滞或缓慢，而非致命的氧化应激促进了它们的形成。该成果以“Characterizing Common Factors Affecting Replication Initiation During H₂O₂ Exposure and Genetic Mutation-Induced Oxidative Stress in Escherichia coli”为题，于2025年3月25号在线发表于生物化学与分子生物学期刊International journal of molecular Sciences (DOI.org/10.3390/ijms26072968)。乔佳鑫博士和朱伟伟博士为该文第一作者，博士生杜冬冬参与了该研究，朱伟伟博士和莫日根教授为通讯作者。

以上两项研究均得到了国家自然科学基金（32260233）和内蒙古教育厅（内蒙古自治区高校创新科研团队计划（NMGIRT-A1601）的支持。

莫日根教授团队围绕细胞周期与大肠杆菌适应性展开研究并取得了系列成果。发现在不同氨基酸代谢环境中，只有天冬氨酸会导致大肠杆菌细胞变大，生长速率变快并促进DNA复制起始，氨基转移酶AspC介导的天冬氨酸代谢协调了大肠杆菌的细胞周期 (Plos one, 2014)。双组分信号转导系统是细菌感知并响应环境应激的调控机制之一，团队针对TorS/TorR和QseB/QseC的研究表明：TorR 蛋白定位于大肠杆菌细胞旧极，可以依赖细胞周期的方式与拟核共定位，从而调控特定基因的转录，进而提出了细胞周期依赖性基因转录的定时机制，即转录因子通过限制自身的空间分布，在细胞周期的特定时期与其目标基因相互作用 (Genes, 2016); QseB可以通过与复制起始蛋白DnaA编码基因启动子结合直接抑制复制起始, 并通过与 DnaK 和 FtsZ 蛋白相互作用来可能协调细胞运动与细胞分裂 (Gene, 2021)。调节性小非编码RNA (sRNA) 是另一种环境应激性调节分子。DsrA sRNA在酸胁迫，营养饥饿或渗透压失衡条件下高表达，团队前期工作发现高水平DsrA会通过刺激OxyR和Dps表达抑制复制起始，这将有助于细菌在不利环境下的遗传稳定性和存活 (Gene, 2023)。SOS反应是不同压力导致DNA损伤的普适性应激调节机制，团队前期发现DnaA可以通过限制SOS调节子的表达来维持SOS反应过程中基因组的完整性 (Frontiers in Microbiology, 2018)。除常见的细菌抗逆调节机制外，团队还发现，类核糖体休眠因子YfiF的功能缺陷会抑制复制起始 (Journal of basic microbiology, 2021)， 核糖体休眠是压力下细菌蛋白质质量控制和存活的重要手段。其次，高度保守的 DEAD-box RNA 螺旋酶CsrA通过在低温下稳定必需代谢和细胞分裂基因的mRNA并降解核苷酸代谢基因的mRNA来协调细胞周期与生长(Biochemical and Biophysical Research Communications, 2022)。且团队通过基因组和转录组视角综述了大肠杆菌应对环境压力的调节机制，指出基因组和转录组的变化是相互配合的，共同影响着大肠杆菌对不同环境的适应(Computational and Structural Biotechnology Journal, 2024）。