转座子或“跳跃基因”——能够从基因组的一部分移动到另一部分的DNA片段——是细菌进化和抗生素抗性发展的关键。研究人员发现了这些基因在带有线性DNA的细菌中生存和传播的新机制，这对生物技术和药物开发有应用。
转座子或“跳跃基因”——能够从基因组的一部分移动到另一部分的DNA片段——是细菌进化和抗生素抗性发展的关键。
康奈尔大学的研究人员发现了这些基因在带有线性DNA的细菌中生存和传播的新机制，这对生物技术和药物开发有应用。
研究人员表明，转座子可以在其细菌宿主染色体的末端，称为端粒，进行靶向和插入。在链霉菌——在抗生素发展的历史上最重要的细菌之一——中，他们发现转座子控制了近三分之一染色体的端粒。
“这是它们生物学的一个重要部分，”高级作者、微生物学教授约瑟夫·彼得斯表示。“细菌就像这些小小的修补匠。它们总是在收集这些可移动的DNA片段，并且一直在创造新的功能——抗生素抗性的一切实际上都与可移动的遗传元素有关，几乎总是这些能够在细菌之间移动的转座子。”
通过一些五年前尚不可用的技术，研究人员在蓝藻和链霉菌中识别出了几个转座子家族，这些转座子能够通过不同的机制找到并插入到端粒，有利于转座子和它们的细菌宿主。例如，在染色体末尾插入有助于转座子避免中间染色体中细胞核心功能的基因；能够靶向末端的转座子不太可能破坏基本功能或导致细胞死亡。
“如果你可以靶向末端，就不太可能破坏宿主想要的东西，然后这些末端通过各种系统在细胞之间转移，”彼得斯说。“对于任何元素能够生存——转座子，细菌——它们真的需要能够做到这两件事：它们需要不会造成太多损害，并且需要有办法转移到新的宿主。通过插入到端粒中，它们能够做到这两点。”
转座子在真核细胞的染色体末端被发现成簇，但这是首次在具有线性染色体的细菌中记录到这一现象，研究人员发现，细菌转座子（与真核生物相比）使用独特的机制来控制端粒。
转座子通常被蛋白质结合序列包围，这些序列指示在哪里切除DNA元素并将其移动到新位置。在链霉菌中，研究人员观察到，位于端粒的转座子是单面的，一端是传统的转座子序列，另一端是端粒。这功能上允许转座子成为端粒，使其对细胞至关重要。
“它让它们对宿主变得至关重要，因为它们现在控制了端粒，如果该元素与这个系统一起被删除，宿主就会死亡，”彼得斯说。
研究人员发现一种靶向端粒的转座子的亚家族，它们利用CRISPR系统——通常用于细菌抵御病毒——以靶向并插入到染色体末端。这一过程进一步确认了彼得斯实验室之前的研究，发现转座子利用CRISPR系统在基因组中移动，开启了新的基因编辑工具的潜力，该工具将允许插入比现在广泛使用的CRISPR-Cas9更大的DNA片段。
“转座子不断抢夺这些系统，并以不同方式利用它们，”彼得斯说。“在这篇论文中，我们解释了使用CRISPR-Cas系统靶向端粒的这一新元素。”
这些见解，特别是针对链霉菌的见解，在实验室中很难操作并发现了我们许多抗生素，可能对药物开发有用，因为转座子驱动着细菌进化，并可能引导研究人员发现这些转座子上编码的新抗生素和其他有用的产品。
“地球上大多数生命是微生物，特别是细菌，”彼得斯说。“我们想了解这些生物是如何运作的，但我们也希望看看如何利用这些系统造福人类。”
合著者包括博士后研究员谢尚治（Popo Hsieh）和迈克尔·T·佩塔西；博士生理查德·沙戈尔；以及日内瓦大学的合作者奥尔索利亚·巴拉巴斯和马特·富洛普。
该研究获得了美国国立卫生研究院和欧洲研究委员会的资金支持。
