Конъюгация - это основной механизм горизонтального переноса генов, при котором ДНК передается между микробными клетками.
Конъюгативные плазмиды способствуют быстрой эволюции бактерий и представляют собой серьезную проблему в борьбе с распространением генов резистентности к противомикробным препаратам. Транспортный механизм конъюгативных элементов состоит из белков системы секреции IV типа (T4SS), источника переноса (oriT) и релаксосомы (релаксазы), часто со вспомогательными белками).
В то время как конъюгативные плазмиды и интегративные конъюгативные элементы (ICE) кодируют весь транспортный механизм, мобилизуемые плазмиды, содержащие только компоненты релаксосомы и oriT, полагаются на сопутствующие конъюгативные элементы для переноса. Мы называем оба типа «потенциальными конъюгативными элементами», поскольку они могут быть перенесены путем конъюгации. Конъюгация начинается со сборки релаксосомы на oriT и связывания nic-сайта внутри oriT. Закрепленная нить ДНК (Т-нить) переносится в клетку-реципиент, и первый перенесенный участок называется ведущим участком. Релаксаза обычно находится в отстающей области, которая попадает в реципиентную клетку последней.
Предыдущие исследования показали, что гены лидирующего региона важны для создания плазмиды во время конъюгации. В некоторых плазмидах эти гены экспрессируются на ранних стадиях попадания в реципиентную клетку, предшествуя превращению входящей одноцепочечной ДНК (ssDNA) в двухцепочечную (dsDNA). В регуляции некоторых из этих генов участвуют уникальные промоторы, обозначенные как Frpo, которые принимают вторичную структуру, имитирующую конформацию двойной нити, что позволяет им распознаваться РНК-полимеразой хозяина. Таким образом, Frpo функционирует как одноцепочечный промотор, обеспечивая раннюю экспрессию генов лидирующего региона.
Конъюгативные элементы сталкиваются с различными прокариотическими защитными системами, включая рестрикцию-модификацию и CRISPR-Cas. Несмотря на эти защитные системы, направленные на предотвращение проникновения экзогенной ДНК, горизонтальный перенос генов широко распространен среди бактериальных видов. Этому способствуют, в частности, антизащитные механизмы, такие как антирестрикционные и антиCRISPR-гены, созданные мобильными генетическими элементами. Некоторые из генов, описанных в ведущих регионах плазмид, кодируют антизащитные белки, такие как ArdA, антирестрикционный белок, и PsiB, который ингибирует бактериальный SOS-ответ, и, как известно, экспрессируются на ранних стадиях. Однако эти исследования были проведены на очень небольшом количестве генов и плазмид (IncI, ColIb-P9 и F-плазмиды). Большинство генов ведущего региона и их функции во время конъюгации остаются практически неизученными.
Мы исследовали роль ведущего региона в способности конъюгативных элементов уклоняться от защиты хозяина. Мы предположили, что для того, чтобы антизащитные гены были эффективными, они должны быстро экспрессироваться на самых ранних стадиях конъюгации, что напоминает раннюю экспрессию анти-CRISPR и антирестрикционного гена ocr, о которой сообщалось в фагах. В соответствии с этой гипотезой мы обнаружили, что ведущие области конъюгативных элементов сильно обогащены антизащитными генами и что эти области содержат различные неохарактеризованные гены, многие из которых, вероятно, связаны с антизащитой. Наши результаты указывают на то, что лидирующие регионы действуют как «острова антизащиты», предохраняя конъюгативные элементы от защиты хозяина при попадании в клетки-реципиенты.
