科學家發現細菌阻止不必要基因轉移的新方法

可移動遺傳元件ICEBs1從紅色供體細胞轉移到綠色受體細胞，後者在轉移後顯示出熒光點。

我們從父母那裡各遺傳了一半的基因，同時也不可避免地繼承了來自父母雙方的混合特徵。然而，對於像細菌這樣通過分裂成兩個相同細胞來繁殖的單細胞生物來說，增加基因庫的多樣性並不容易。隨機突變增加了一些多樣性，但對於細菌來說，有一種更快的方式來重組它們的基因，並賦予進化優勢（如抗生素耐藥性或致病性）。這個過程被稱為水平基因轉移，它允許細菌將DNA片段傳遞給它們的同類，並在某些情況下，將這些基因整合到受體的基因組中，傳遞給下一代。

麻省理工學院生物系的Grossman實驗室研究了一類被稱為整合和結合元件（integrative and conjugative elements , ICEs）的移動DNA。雖然ICEs含有對受體細菌有益的基因，但這其中也存在一個陷阱——如果受體菌接受了ICEs的副本，那這不僅是一種浪費，而且可能是致命的。近日，生物學家們發現了一個新的系統，通過這個系統，一種特殊的ICEs——ICEBs1，可以阻止供體細菌產生第二個可能致命的副本。相關論文於7月30日的《分子微生物學》網路版。

「了解這些元件的功能以及它們是如何被調控的，可以幫助我們確定是什麼推動了微生物進化。」該研究的部門主管、通訊作者Alan Grossman表示，「這些發現不僅讓我們深入了解細菌如何阻止不必要的基因轉移，而且還讓我們知道，我們最終可能會如何設計這個系統，使其對我們有利。」

雖然質粒可能是最著名的水平基因轉移介質，但在大多數細菌物種中，ICEs不僅數量超過質粒，而且它們還帶著自己的工具離開供體，進入受體，並將自己整合到受體的染色體中。一旦供體細菌與受體接觸，由ICEs編碼的分子機器就可以通過一個微小的通道將ICEs的DNA從一個細胞泵到另一個細胞。

Grossman實驗室主要研究ICEs何時、為何以及如何阻止副本轉移的問題，並且之前已經發現了ICEBs1可以在其致命之前阻止重複轉移的兩種機制。第一種是細胞-細胞信號，受體細胞中的ICEs會釋放出一種化學信號，阻止供體轉運機器的組裝。第二種是免疫，如果複製副本已經在細胞內，免疫系統就會啟動，並阻止副本整合到染色體中。

然而，當研究人員試圖同時消除這兩個故障保險時，細菌仍然設法阻止了副本轉移。ICEBs1似乎有第三種阻斷策略，但可能是什麼呢?

在最近的一項研究中，他們將這種神秘的阻斷機制定義為「進入排斥」，即受體細胞中的ICEs對分子機器進行編碼，從而在物理上阻止第二份拷貝突破細胞壁。這種排斥機制歸結於兩個關鍵蛋白質。Avello發現了第一個蛋白質——YddJ，由ICEBs1在受體細菌中表達，在細胞外形成一層「保護層」，阻止第二個ICEs進入。但生物學家們仍然不知道YddJ阻斷的是哪一種轉移機制，因此Davis進行了篩選和各種基因操作，以確定YddJ的目標。結果發現，YddJ阻礙了另一種叫做ConG的蛋白質，這種蛋白質很可能是供體和受體細菌之間轉移通道的一部分。

研究小組的結論是，ICEBs1必須有三種不同的機制來防止重複轉移。Grossman說：「每一種機制都在不同的步驟上發揮作用，因為沒有一種機制是百分之百有效的。這就是為什麼擁有多種機制是有益的。」他補充說，他們還不知道這個轉移機制的所有細節，但他們知道YddJ和ConG在其中扮演了關鍵角色。

「這項工作在醫學上具有重要意義，因為ICEs可以攜帶「貨物」基因，比如那些賦予細菌抗生素耐藥性的基因，而且這項工作對於我們對水平基因轉移系統及其進化過程的基本理解也很重要。」明尼蘇達大學的微生物學和免疫學教授Gary Dunny說，他並沒有參與這項研究。

隨著研究人員繼續探索這種阻斷機制，或許可以利用ICEs排斥機制設計具有特定功能的細菌。例如，科學家們可以設計腸道微生物群，並引入有益的基因來幫助消化。或者，有一天，這種機制可能會阻止水平基因轉移來對抗抗生素耐藥性。

科界原創

編譯：花花

審稿：alone

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