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2019-08-07 14:13:59

阻止不必要的遺傳轉移的新方法

我們從每個親生父母那里獲得了一半的基因,因此沒有避免繼承兩者的特征混合。然而,對于單細胞生物,如通過分裂成兩個相同細胞而繁殖的細菌,將基因庫中的多樣性注入并不是那么容易。隨機突變增加了一些多樣性,但是細菌更快地重新調整基因并賦予抗生素抗性或致病性等進化優勢。

這個過程被稱為水平基因轉移,允許細菌將DNA片段傳遞給同伴,在某些情況下,這些基因可以整合到受體的基因組中并傳遞給下一代。

麻省理工學院生物系的格羅斯曼實驗室研究了一類移動DNA,稱為整合和結合元素(ICEs)。雖然ICE含有可能對受體細菌有益的基因,但也有一個接收物,ICE的副本是浪費的,并且可能是致命的。生物學家最近發現了一種新系統,通過該系統,一種特定的ICE,ICEBs1阻止供體細菌提供第二種可能致命的拷貝。

“了解這些元素如何發揮作用以及它們如何受到調節將使我們能夠確定驅動微生物進化的因素,”該研究的部門負責人兼高級作者艾倫·格羅斯曼說。“這些研究結果不僅可以讓我們了解細菌如何阻止不必要的遺傳轉移,還可以了解我們如何最終將這個系統設計為自己的優勢。”

前研究生Monika Avello博士 '18和現任研究生凱瑟琳戴維斯是這項研究的共同第一作者,該研究于7月30日在線分子微生物學上發表。

檢查和平衡

盡管質??赡苁亲钪乃睫D移介質,但ICE不僅在大多數細菌物種中超過質粒,它們還帶有自己的工具來離開供體,進入受體,并將自身整合到受體的染色體中。一旦供體細菌與受體接觸,由ICE編碼的機器可以通過微小通道將ICE DNA從一個細胞泵送到另一個細胞。

為了進行水平轉移,需要克服物理障礙,特別是在所謂的革蘭氏陽性細菌中,盡管沒有廣泛研究,但它們的細胞壁比它們的革蘭氏陰性對應物更厚。根據戴維斯的說法,轉移機械基本上必須通過受體細胞“打孔”。“如果那個細胞已經含有一組具有特定基因的ICE,那對于接受者來說,這是一個艱難的過程和浪費能源,”她說。

當然,ICE是“自私的DNA”,它們盡可能廣泛地傳播,但為了做到這一點,它們不能干擾宿主細胞的生存能力。正如Avello所解釋的那樣,ICE不能僅僅在沒有某些檢查和平衡的情況下傳播他們的DNA。

“有一種情況是,這種轉移是以細菌為代價的,或者對細胞沒有意義,”她說。“這項研究開始探討ICE何時,為何以及如何阻止轉移的問題。”

格羅斯曼實驗室在革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌中起作用,并且之前發現了ICEBs1在其變得致命之前可以防止多余轉移的兩種機制。第一種細胞 - 細胞信號傳導涉及受體細胞中的ICE釋放化學提示,禁止供體的轉移機器組裝。第二種免疫,如果復制品已經在細胞內,則啟動,并防止復制品整合到染色體中。

然而,當研究人員嘗試同時消除兩種失效保護裝置時,細菌仍然設法阻止重復復制,而不是像他們預期的那樣重新安裝ICE轉移。ICEBs1似乎有第三種阻止策略,但它可能是什么?

第三種策略

在這項最新的研究中,他們將神秘的阻斷機制確定為一種“進入排斥”,即受體細胞中的ICE編碼分子機制,從物理上防止第二個拷貝破壞細胞壁。據Avello報道,科學家觀察到其他移動遺傳因素能夠被排除,但這是有史以來第一次有人從革蘭氏陽性細菌中看到這種現象。

格羅斯曼實驗室確定這種排除機制歸結為兩種關鍵蛋白質。Avello鑒定了第一種蛋白質YddJ,由受體細菌中的ICEBs1表達,在細胞外部形成“保護性包被”并阻止第二種ICE進入。

但生物學家仍然不知道YddJ阻擋了哪一塊轉移機器,所以戴維斯進行了一次篩選和各種基因操作來確定YddJ的目標。事實證明,YddJ阻礙了另一種名為ConG的蛋白質,它可能是供體和受體細菌之間轉移通道的一部分。戴維斯驚訝地發現,雖然革蘭氏陰性的ICE編碼的蛋白質與ConG非常相似,但革蘭氏陰性的YddJ等同物實際上差異很大。

“這只是表明你不能假設像ICEBs1這樣的革蘭氏陽性ICE中的轉移機制與經過充分研究的革蘭氏陰性ICE相同,”她說。

該團隊的結論是,ICEBs1必須有三種不同的機制來防止重復傳輸:他們之前發現的兩個加上這個新的,排除。

細胞 - 細胞信號允許細胞將該單詞擴散到其鄰居,因為它已經具有ICEBs1的副本,因此不需要費心組裝轉移機器。如果失敗,則排除物質阻止轉移機器穿透受體細胞。如果證明不成功并且第二份拷貝進入接受者,則免疫將啟動并防止第二份拷貝被整合到接受者的染色體中。

“每個機制都采取不同的步驟,因為它們中沒有一個是100%有效的,”格羅斯曼說。“這就是為什么有多種機制會有所幫助的原因。”

他補充說,他們還不知道這種傳輸機制的所有細節,但他們確實知道YddJ和ConG是關鍵角色。

“對ICEBs1排除系統的初步描述代表了第一份報告,該報告提供了對革蘭氏陽性細菌排除的機制見解,以及在任何結合系統中排除的少數機械研究之一,”微生物學教授Gary Dunny說。明尼蘇達大學沒有參與該研究的免疫學。“這項工作在醫學上具有重要意義,因為ICE可攜帶”貨物“基因,例如那些賦予抗生素抗性的基因,也對我們對水平基因轉移系統及其進化方式的基本了解具有重要意義。”

隨著研究人員繼續探索這種阻斷機制,有可能利用ICE排除來設計具有特定功能的細菌。例如,他們可以設計腸道微生物組并引入有益基因來幫助消化?;蛘?,有一天,它們可能阻止水平基因轉移以對抗抗生素抗性。

“我們曾懷疑革蘭氏陽性ICE可能被排除在外,但在此之前我們沒有證據,”Avello說?,F在,研究人員可以開始推測致病革蘭氏陽性物種如何控制整個細菌群體中ICE的運動,可能會對疾病研究產生影響。

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