Транспозоны или «прыгающие гены» - сегменты ДНК, которые могут перемещаться из одной части генома в другую, - играют ключевую роль в эволюции бактерий и развитии резистентности к антибиотикам.
Исследователи Корнельского университета обнаружили новый механизм, с помощью которого эти гены сохраняются и распространяются в бактериях с линейной ДНК, что может найти применение в биотехнологии и разработке лекарственных препаратов. В статье, опубликованной в журнале Science, ученые показывают, что транспозоны могут нацеливаться на концы линейных хромосом, называемых теломерами, и вставлять их в бактериального хозяина. У Streptomyces - исторически одного из самых значимых видов микроорганизмов для разработки антибиотиков - они обнаружили, что транспозоны контролируют теломеры почти в трети хромосом.
«Это большая часть их биологии», - отмечает старший автор работы Джозеф Питерси. «Бактерии похожи на маленьких мастеров. Они постоянно собирают эти мобильные фрагменты ДНК и создают новые функции - все, что касается резистентности к антибиотикам, связано с мобильными генетическими элементами и почти всегда с транспозонами, которые могут перемещаться между бактериями».
С помощью новых технологий, недоступных еще несколько лет назад, исследователи выявили несколько семейств транспозонов в цианобактериях и Streptomyces, которые, используя различные механизмы, могут находить и вставлять себя в теломеры с выгодой для транспозона и его бактериального хозяина. Например, вставка в конец хромосомы помогает транспозону избежать генов, отвечающих за основное функционирование клетки, которые находятся в середине хромосом; транспозоны, которые могут нацелиться на конец, с меньшей вероятностью нарушат важную функцию или вызовут гибель клетки. «Если вы можете нацелиться на конец, вы с меньшей вероятностью нарушите то, что нужно хозяину, а затем эти концы с помощью различных механизмов передаются между клетками», - пояснил Питерс. "Чтобы транспозон мог сохраниться он должен уметь делать две вещи: не причинять слишком много вреда и перемещаться к новым хозяевам. Встраиваясь в теломеры, они могут делать и то, и другое».
Транспозоны были обнаружены на концах хромосом в эукариотических клетках, но впервые они были зафиксированы у бактерий с линейными хромосомами. Исследователи обнаружили, что бактериальные транспозоны (в отличие от эукариот) используют другие уникальные механизмы для контроля теломер. Транспозоны обычно фланкированы белок-связывающими последовательностями, которые указывают, где нужно вырезать элемент ДНК и переместить его в новое место. У Streptomyces, обнаружили исследователи, транспозоны в теломерах были односторонними, с традиционной транспозонной последовательностью на одном конце, а другой конец был теломерой. Это функционально позволяет транспозону быть теломером, что делает его необходимым для клетки в целом. «Это позволяет им стать незаменимыми для хозяина, поскольку теперь они контролируют теломеры, и если бы элемент был удален вместе с этой системой, хозяин бы погиб», - говорит Питерс.
Исследователи обнаружили одно подсемейство транспозонов, нацеленных на теломеры, которое использует систему CRISPR - обычно применяемую бактериями для защиты от вирусов - для нацеливания и вставки в концы хромосом. Этот процесс стал еще одним подтверждением предыдущих исследований лаборатории Питерса, в которых было обнаружено, что транспозоны используют системы CRISPR для перемещения по геномам, что открывает потенциал для создания нового инструмента редактирования генов, который позволит вставлять более крупные участки ДНК, чем широко используемый сейчас CRISPR-Cas9. «Транспозоны постоянно захватывают эти системы и используют их по-разному», - говорит Питерс. «В этой статье мы рассказали о новом элементе, использующем систему CRISPR-Cas для воздействия на теломеры».
Полученные данные - особенно в отношении Streptomyces, с которым трудно работать в лаборатории и на долю которого приходится открытие многих антибиотиков, могут оказаться полезными для разработки лекарств, поскольку транспозоны определяют эволюцию бактерий и могут направить исследователей к новым антибиотикам и другим полезным продуктам, закодированным в этих транспозонах.
«Наша работа показывает, как теломерные транспозоны могут способствовать переносу генов как между геномами, так и внутри них, существенно влияя на эволюционную динамику линейных геномов. Большая часть жизни на планете - это микроорганизмы, и в частности бактерии", - говорит Питерс. «Мы хотим понять, как функционируют эти живые организмы, но еще мы хотим понять, как мы можем использовать эти системы для улучшения жизни человечества».
