加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)了一種基因組規(guī)模模型，可以準(zhǔn)確預(yù)測大腸桿菌對溫度變化和基因突變的反應(yīng)。這項(xiàng)工作旨在提供一個全面的，系統(tǒng)級的理解細(xì)胞如何在環(huán)境壓力下適應(yīng)。該工作應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，其中自適應(yīng)細(xì)胞建?？梢詾榧?xì)菌感染提供患者特異性治療。由加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程學(xué)教授伯恩哈德帕爾森領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于10月10日在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表了這項(xiàng)工作。“為了完全控制活細(xì)胞，我們需要了解它們存活的基本機(jī)制，并迅速適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士后研究員，該研究的第一作者柯辰說。

這項(xiàng)工作背后的一個基本原則是環(huán)境的變化導(dǎo)致細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。例如，較高的溫度會使蛋白質(zhì)分子不穩(wěn)定。新的基因組規(guī)模計(jì)算模型，稱為FoldME，預(yù)測大腸桿菌細(xì)胞如何響應(yīng)溫度 壓力，然后重新分配其資源以穩(wěn)定蛋白質(zhì)。“蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的越多，用于重新穩(wěn)定它們的資源就越多，使得資源不再適用于增長和其他細(xì)胞功能，”Palsson解釋道。

為了構(gòu)建FoldME，該團(tuán)隊(duì)首先編譯了大腸桿菌細(xì)胞中所有蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，然后將這些數(shù)據(jù)整合到大腸桿菌的代謝和蛋白質(zhì)表達(dá)的現(xiàn)有基因組規(guī)模模型中。接下來，他們計(jì)算了一個生物物理特征，表示每種蛋白質(zhì)在不同溫度下的折疊程度。由于蛋白質(zhì)通常需要稱為分子伴侶的小分子來幫助它們在高溫下折疊，研究人員還將伴侶輔助折疊反應(yīng)納入模型中。然后他們設(shè)定模型以最大化細(xì)胞生長速率。

FoldME準(zhǔn)確地模擬了大腸桿菌細(xì)胞在很寬的溫度范圍內(nèi)的響應(yīng)，并提供了他們在不同溫度下適應(yīng)的策略的詳細(xì)信息。該模型的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。例如，它正確地再現(xiàn)了不同溫度下大腸桿菌細(xì)胞生長速率的變化。FoldME模擬還表明，大腸桿菌細(xì)胞在高溫下消耗不同類型的糖。

該模型還評估了單個基因突變?nèi)绾斡绊懘竽c桿菌細(xì)胞對壓力的反應(yīng)。它預(yù)測稱為DHFR的單個代謝基因中的點(diǎn)突變導(dǎo)致大量蛋白質(zhì)的差異表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

陳說，這項(xiàng)工作的另一個重要方面是它強(qiáng)調(diào)了伴侶網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級監(jiān)管作用，這在先前的研究中被忽略了。分子伴侶提供了一項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鞍踪|(zhì)在壓力下(在更高溫度下)折疊，但它們的服務(wù)是有限的資源，細(xì)胞中的所有蛋白質(zhì)共享。幫助一個蛋白質(zhì)折疊意味著分子伴侶無法幫助其他蛋白質(zhì)折疊 - 這種限制會影響細(xì)胞蛋白質(zhì)其余部分的結(jié)構(gòu)完整性。研究人員解釋說，這也消耗了蛋白質(zhì)合成的可用資源，對所有蛋白質(zhì)設(shè)定了嚴(yán)格的轉(zhuǎn)化限制。“使用第一原理計(jì)算，我們可以深入了解多種蛋白質(zhì)折疊事件，伴侶調(diào)節(jié)和其他細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)如何共同作用，使細(xì)胞能夠?qū)Νh(huán)境和遺傳壓力作出反應(yīng)，”陳說。“值得注意的是，我們知道適應(yīng)化學(xué)壓力和改變營養(yǎng)素通常只需要少量突變，而適應(yīng)溫度壓力要困難得多，預(yù)計(jì)需要大量突變，”Palsson補(bǔ)充道。

接下來的步驟涉及模型的實(shí)驗(yàn)測試，旨在探索細(xì)菌如何在較高溫度下適應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃研究其他引起疾病的細(xì)菌的適應(yīng)過程 - 例如引起腹瀉的大腸桿菌，結(jié)核分枝桿菌和葡萄球菌 - 在模仿其原生人類棲息地條件的壓力下。