跳跃基因如何利用端粒在细菌中生存

康奈尔大学的研究人员发现了一种新的机制，揭示了跳跃基因（或称“跳跃基因”）如何在具有线性DNA的细菌中生存和传播。跳跃基因是细菌进化和抗生素抗性发展中的关键因素。

在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员展示了这些基因可以定位并插入其宿主细菌的染色体末端，即端粒。在链霉菌——历史上最重要的抗生素生产细菌之一——中，他们发现近三分之一的染色体的端粒由跳跃基因控制。

“这是它们生物学的重要组成部分。细菌就像这些小工匠，总是收集这些可移动的DNA片段，并不断创造新的功能——几乎所有抗生素抗性都与可移动遗传元件有关，几乎总是能在细菌之间移动的跳跃基因。”康奈尔大学微生物学教授、该研究的资深作者约瑟夫·彼得斯说。

借助五年前尚未出现的技术，研究人员识别出蓝细菌和链霉菌中的几个跳跃基因家族，这些基因使用不同的机制找到并插入端粒，这对跳跃基因及其宿主细菌都有益处。首先，插入染色体末端有助于跳跃基因避开位于染色体中部的核心功能基因；这样，跳跃基因不太可能破坏重要功能或导致细胞死亡。

“如果你能定位到末端，你就不太可能破坏宿主想要的东西，而且这些末端通过各种系统在细胞之间传递。对于任何元素——跳跃基因或细菌——要生存，它们真的需要做这两件事：它们需要不造成太大损害，并且需要一种方式转移到新宿主。通过插入端粒，它们能够同时做到这两点。”彼得斯说。

在真核细胞中已经发现了聚集在染色体末端的跳跃基因，但这是首次在具有线性染色体的细菌中记录到这种情况。研究人员还发现，细菌跳跃基因（相对于真核生物）使用独特的机制来控制端粒。

跳跃基因通常两侧有蛋白质结合序列，指示在哪里切除DNA片段并将其移动到新位置。在链霉菌中，研究人员观察到端粒上的跳跃基因是一侧的，一端是传统的跳跃基因序列，另一端是端粒。这使跳跃基因在功能上成为端粒的一部分，使其对细胞至关重要。

“这使它们能够对宿主变得必不可少，因为它们现在控制着端粒。如果这个元件连同这个系统一起被删除，宿主就会死亡。”彼得斯说。

研究人员发现了一个子类别的端粒靶向跳跃基因，它们劫持了一个CRISPR系统——通常用于细菌抵御病毒——以定位并插入染色体末端。这一过程进一步证实了彼得斯实验室之前的研究，即跳跃基因使用CRISPR系统在基因组中移动，为开发新的基因编辑工具提供了潜力，这种工具可以插入比目前广泛使用的CRISPR-Cas9更大的DNA片段。

“跳跃基因不断抓取这些系统并以不同的方式劫持它们。在这篇论文中，我们解释了一种新的元素，它使用CRISPR-Cas系统来靶向端粒。”彼得斯说。

这些见解——特别是关于链霉菌的，这种细菌在实验室中难以操作，但在抗生素发现中起到了重要作用——可能对药物开发有用，因为跳跃基因驱动细菌进化，并可能指导研究人员发现新的抗生素和其他有用的产物。

“地球上的大多数生命都是微生物，尤其是细菌。我们希望了解这些生物如何运作，但我们也希望看到如何利用这些系统造福人类。”彼得斯说。

共同作者包括博士后研究员Shan-Chi (Popo) Hsieh和Michael T. Petassi；博士生Richard Schargel；以及日内瓦大学的合作伙伴Orsolya Barabas和Máté Fülöp。

这项研究得到了美国国立卫生研究院和欧洲研究理事会的支持。

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