轉座子或稱(chēng)“跳躍基因”，是可以在基因組不同部分之間移動(dòng)的DNA片段，對細菌的進(jìn)化及抗藥性的形成至關(guān)重要。

康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現了這些基因在具有線(xiàn)性DNA的細菌中存活和繁殖的新機制，這一發(fā)現對生物技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有應用潛力。

在最近《Science》期刊發(fā)表的一篇論文中，研究人員展示了轉座子如何在細菌宿主的線(xiàn)性染色體末端進(jìn)行靶向插入，即端粒的位置。在鏈霉菌中，研究團隊發(fā)現轉座子在近三分之一的染色體中控制了端粒。

“這在它們的生物學(xué)中占據了重要位置，”資深作者、微生物學(xué)教授Joseph Peters表示。“細菌就像這些小小的工匠，它們不斷收集可移動(dòng)的DNA片段，以創(chuàng )造新的功能——所有的抗藥性問(wèn)題實(shí)際上都是與可移動(dòng)遺傳元件息息相關(guān)的，幾乎總是涉及在細菌之間移動(dòng)的轉座子。”

依托于一些五年前尚未普及的技術(shù)，研究人員在藍藻和鏈霉菌中識別出多個(gè)轉座子家族，這些轉座子通過(guò)不同機制能夠找到并插入到端粒，這對轉座子及其細菌宿主都是有利的。其中之一是在染色體末端插入，這有助于轉座子避開(kāi)細胞核心功能基因，這些基因通常位于染色體的中間位置；能夠鎖定染色體末端的轉座子不太可能干擾必需功能或導致細胞死亡。

“如果能夠靶向端粒，就不太可能破壞宿主需要的基因，而這些端粒通過(guò)各種系統在細胞之間轉移。”Peters說(shuō)。“對于任何元件的存活——無(wú)論是轉座子還是細菌——它們確實(shí)需要做到這兩點(diǎn)：一是不能造成過(guò)多損害，二是需要能夠轉移到新的宿主。通過(guò)插入端粒，它們能夠做到這兩點(diǎn)。”

轉座子聚集在真核細胞的染色體末端早已被發(fā)現，但這是首次在具有線(xiàn)性染色體的細菌中記錄到該現象。研究人員發(fā)現，細菌轉座子（與真核生物相比）使用獨特的機制來(lái)控制端粒。

轉座子通常被蛋白質(zhì)結合序列包圍，這些序列指示何時(shí)切除DNA元素并將其移動(dòng)到新位置。在鏈霉菌中，研究人員觀(guān)察到位于端粒處的轉座子是單面的，一端是傳統的轉座子序列，另一端則是端粒。這使得轉座子可以在功能上充當端粒，對細胞的生存變得至關(guān)重要。

“這使得它們對宿主變得必不可少，因為它們控制著(zhù)端粒，如果這些元素與該系統一同被刪除，宿主將會(huì )失去生存能力。”Peters說(shuō)。

研究人員還發(fā)現了一種靶向端粒的轉座子亞家族，該家族利用CRISPR系統——細菌通常用它來(lái)防御病毒——來(lái)靶向并插入到染色體末端。這一過(guò)程進(jìn)一步證實(shí)了彼得斯實(shí)驗室之前的研究，即轉座子利用CRISPR系統在基因組中移動(dòng)，從而為新型基因編輯工具的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了可能性，該工具能夠插入比現有CRISPR-Cas9更大的DNA片段。

“轉座子不斷吸收和利用這些系統，以不同的方式進(jìn)行操作。”Peters說(shuō)道。“在這篇論文中，我們解釋了使用CRISPR-Cas系統靶向端粒的一種新元素。”

這些發(fā)現，特別是針對鏈霉菌的研究，其在實(shí)驗室中難以操作并且是眾多抗生素發(fā)現的重要來(lái)源，可能對新產(chǎn)品展開(kāi)開(kāi)發(fā)具有積極意義，因為轉座子推動(dòng)了細菌的進(jìn)化，并可能引導研究人員找到新的有效成分。

“地球上的大部分生命形式都是微生物，尤其是細菌。”Peters表示。“我們希望了解這些生物是如何運作的，同時(shí)也期盼能利用這些系統為人類(lèi)帶來(lái)益處。”

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adp1973