eLife丨刘陈立团队揭示细菌DNA合成与生物量增长的协同机制

从头合成一个完整的单细胞生命，是当代生命科学面临的一项重大挑战。目前，科学家已在构建基础生命功能模块方面取得进展，例如在人工磷脂囊泡中实现DNA复制，以及利用前体分子合成磷脂以促进囊泡表面积的增长。然而，仅将这些功能模块进行简单组装，尚难以实现生命活动的有序运行。当前面临的主要瓶颈之一，在于对这些模块之间协同工作的基本原理仍缺乏系统认识，这也限制了人工合成细胞形成生长、复制与分裂这一完整生命循环的能力。

针对这一关键问题，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所刘陈立研究员团队长期致力于探究天然细胞中DNA复制、生物量积累和细胞分裂等核心功能模块的协同机制。在前期研究中，团队以大肠杆菌为模型，利用定量合成生物学方法，揭示了细胞生长速率与细胞尺寸之间的数学规律，并发现了细菌通过“分裂许可物”来协同生长和分裂的新机制（Nature Microbiology 2020）。

在此基础上，团队进一步发挥定量合成生物学研究范式的优势，设计合成了一套能够实时监测DNA复制关键启动蛋白DnaA活性的“分子探测器”，首次在活细胞中观测到DnaA活性振荡的峰值始终精准出现在DNA复制起始时刻，从而在实验上直接验证了经典理论中“DnaA活性决定DNA复制起始时机”的核心预测。此外，为解释“DnaA表达停止后DNA仍可进行多轮复制”这一经典理论未能充分阐释的现象，团队通过结合数学建模与实验验证，创新性地提出了DnaA活性调控的“挤出”机制。该机制表明，可能存在某种调控蛋白能够将结合在DNA上的DnaA“挤出”，使其重新获得启动DNA复制的活性。进一步研究提示，H-NS蛋白很可能在其中发挥关键调控作用。

该工作不仅直接证实了DnaA活性的周期性振荡是触发DNA复制的核心信号，还系统揭示了细菌通过“挤出”机制实现对DNA复制过程的精确时序调控，为理解生命体中DNA合成与生物量增长之间的协同机制提供了崭新的理论视角。相关成果近日以Extrusion-modulatedDnaAactivity oscillations coordinate DNA replication with biomass growth为题，正式被eLife杂志收录。

图1. 《eLife》杂志上刊发的文章截图

DNA复制起始是细菌细胞周期调控的关键节点。学界普遍认为，大肠杆菌通过精确控制DNA复制的起始时机，实现DNA的线性合成与生物量指数增长之间的协调匹配。经典理论指出，关键启动蛋白DnaA的持续合成可以反应生物量的积累，其与DNA的相互作用则能感知DNA合成状态，进而通过活性变化决定复制起始时机。然而，长期以来，领域内并未直接观测到DnaA活性变化与DNA复制起始之间的动态关联，且在DnaA合成被阻断之后，DNA复制仍可启动，这些现象无法用现有理论完整解释，表明人们对细菌生长与DNA复制之间的协同机制认识尚不全面。

合成DnaA活性“探测器”：定量其振荡与DNA复制起始的关系

为直接观测DnaA蛋白活性的细胞周期性振荡，刘陈立团队构建了DnaA活性可定量调节的平台菌株，设计并合成了一系列可响应DnaA活性的合成启动子。通过系统定量这些启动子对DnaA活性变化的响应特性，团队筛选出了对DnaA活性高度敏感且响应特异的启动子Psyn66。随后，借助mRNA荧光原位杂交技术，并以不响应DnaA活性的组成型启动子Pcon作为参照，解析出Psyn66报告的DnaA活性的细胞周期变化规律。定量分析表明：无论生长速率如何改变或基因表达受到何种干扰，DnaA活性均随细胞大小呈现显著振荡，该振荡与dnaA基因的转录无关，且其峰值始终精准出现在DNA复制起始的时刻。这一结果在实验上直接验证了经典理论关于“细菌DnaA活性决定DNA复制起始时机”的核心预测。

图2. 合成DnaA活性“探测器”，定量其周期性振荡与DNA复制起始的关系

DnaA活性调控“挤出”机制的提出及例证

在验证经典理论的基础上，团队进一步探究了“DnaA表达停止后DNA仍可进行多轮复制”这一经典理论未能解释的现象，并提出了一种新的DnaA活性调控机制——“挤出模型”（extrusion model）。该模型推测，除了已知的调控途径外，细胞内可能还存在一种可与DNA结合的“挤出因子”，它能够通过构象变化或竞争性结合，促使结合在DNA上的DnaA蛋白释放到细胞质中，从而使DnaA活性在其合成停止后仍可维持一段时间的上升，以启动后续几轮DNA复制。

图3. DnaA活性调控“挤出”机制的提出及例证

通过系统筛选细胞内可与拟核结合的蛋白质，研究团队发现高丰度DNA结合蛋白H-NS具备“挤出因子”的潜在特征，随后合成并引入相关基因线路，稳定或瞬时提升H-NS的表达水平，结果观察到DnaA活性迅速增强，且DNA复制起始时机相应提前。该实验结果为H-NS可能作为“挤出因子”参与调控DnaA活性提供了直接证据，进一步支持了“挤出模型”的合理性。

该研究秉承“造物致知”的研究理念，通过对生命系统进行合成重构与定量表征，并结合理论建模与仿真分析，揭示了协调细胞生长和DNA合成的新机制：DnaA活性的“挤出式”调控。这一发现不仅深化了人们对细菌细胞周期调控的理解，也为人工合成生命功能模块的协同调控提供了新的设计思路。未来，在组装具有复杂功能的人工生命系统时，或许可以借鉴此类天然调控机制，使各个功能模块像细菌细胞内的高度协同网络一样，实现有序、高效且稳定的动态运转。

中国科学院深圳先进技术研究院合成所刘陈立研究员为该文章的通讯作者，助理研究员李登进、副研究员郑海和白阳为该文章的共同第一作者。

原文链接：https://elifesciences.org/articles/107214

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