Мы получили половину своих генов от каждого биологического родителя, так что тут не избежать наследования смесь характеристики от обоих. Тем не менее, для одноклеточных организмов, как бактерии, которые размножаются путем разделения на две одинаковые клетки, вводя разнообразие в генофонд не так уж и легко. Случайные мутации добавить какого-то разнообразия, но есть намного более быстрый способ для бактерий, чтобы перетасовать свои гены и дает эволюционные преимущества, такие как устойчивость к антибиотикам или патогенности.
Известный как горизонтальный перенос генов, этот процесс позволяет бактериям проходить фрагменты ДНК с их сверстниками, в некоторых случаях позволяя эти гены были интегрированы в геном реципиента и передавались следующему поколению.
В лаборатории Гроссмана на кафедре биологии Массачусетского технологического института изучает один класс мобильных ДНК, известный как интегративные конъюгативные элементы и (Икес). В то время как льды содержат гены, которые могут быть полезны для бактерий получателя, там же ловить — получение дубликата лед расточительным, и, возможно, летальный. Недавно биологи обнаружили новую систему, по которой один конкретный лед, ICEBs1, блоки донора бактерии от поставки второго, потенциально смертоносных копий.
“Понимание того, как эти элементы функционируют и как они регулируются, позволит нам определить, что движет микробной эволюции”, — говорит Алан Гроссман, начальник отдела и старший автор на изучении. “Эти результаты не только дают представление о том, как заблокировать нежелательные бактерии генетической передачей, но и как мы могли бы в конечном итоге инженер этой системы в свою пользу.”
Бывший аспирант Моника Avello кандидат ’18 и нынешний аспирант Кэтлин Дэвис совместно первым автором на изучении, которое появилось в интернете в молекулярной микробиологии на 30 июля.
Сдержек и противовесов
Хотя плазмиды, пожалуй, самое известное посредников горизонтального переноса, Икес не только больше, чем плазмид в большинстве видов бактерий, они также приходят со своими инструментами, чтобы покинуть донора, введите получателей, и интегрироваться в хромосому реципиента. После того, как бактерии-донора делает контакт с получателем, машин и механизмов, закодированных на лед может насос ДНК льду от одной клетки к другой через крошечный канал.
Для горизонтального перевода, есть физические барьеры преодолеть, особенно в так называемые грам-положительные бактерии, которые могут похвастать более толстые клеточные стенки, чем грам-отрицательных партнеров, хотя менее широко изучены. По словам Дэвиса, механизм передачи, по сути, должна “пробить дырку” сквозь клетку-реципиент. “Это тяжелая дорога и трата энергии для получателя, если эта клетка уже содержит льда с определенным набором генов”, — говорит она.
Конечно, Икес являются “эгоистичными фрагменты ДНК”, которые сохраняются на как можно более широко распространять сами, но для этого они не должны вмешиваться в их способность клетки-хозяина, чтобы выжить. Как Avello объясняет, Икес не можем просто распространять свою ДНК “без определенных сдержек и противовесов”.
“Наступает момент, когда эта передача происходит за счет бактерий, или не имеет смысла для элемента”, — говорит она. “Это исследование начинает на вопрос о том, когда, почему, и как льды, возможно, захотите, чтобы блокировать передачу”.
Лаборатории Гроссман работает в грамположительная бацилла-subtilis, и раньше обнаружен двумя механизмами, с помощью которых ICEBs1 может предотвратить избыточные передачи, прежде чем она станет смертельной. Первое, ячеек сигнализации, предполагает лед в клетку-реципиент выпускает химический сигнал, который запрещает техники передачи донора могут быть собраны. Второе, иммунитет, инициирует, если дубликат уже внутри клетки, и предотвращает репликацию интегрироваться в хромосому.
Однако, когда исследователи попытались ликвидировать как предохранители одновременно, а не восстанавливая передачу льда, как они предполагали, бактерий все же удалось воспрепятствовать дубликат. ICEBs1, казалось, уже третье блокирование стратегии, но что это может быть?
Третья тактика
В этом последнем исследовании, они обнаружили загадочный механизм блокирования как типа “исключение запись”, по которому лед в клетку-реципиент кодирует молекулярный механизм, который физически мешает второй экземпляр с нарушением клеточной стенки. Ученые наблюдали другие мобильные генетические элементы, способные исключение, но это был первый раз, когда кто-нибудь был свидетелем этого явления для льда из грам-положительных бактерий, по данным Avello.
В лаборатории Гроссмана определила, что этот механизм отчуждения сводится к двум ключевым белков. Avello определила первая белка, YddJ, выраженные ICEBs1 в бактерию-реципиента, образуя “защитные покрытия” вне клеток и блокируя второй лед от входа.
Но биологи до сих пор не знаю, какая часть передачи YddJ машин загородил, так Дэвис исполнил экран и различные генетические манипуляции, чтобы определить цель YddJ по. YddJ, оказалось, мешал другим белком, называемым Конг, который, вероятно, является составной частью канала передачи между дарителем и бактерии-реципиента. Дэвис с удивлением обнаружил, что в то время как грамотрицательные Икес кодировать белок, который очень похож на Конг, грамотрицательным YddJ эквивалент на самом деле сильно отличается.
“Это просто идет, чтобы показать, что вы не можете предположить механизм передачи в грамположительных Икес как ICEBs1 такие же, как в хорошо изученных грамотрицательных льдов”, — говорит она.
Команда пришла к выводу, что ICEBs1 должен иметь три различные механизмы для предотвращения дублирования передачи: двумя они раскрыли ранее плюс этой изоляции.
Ячеек сигнализации позволяет камере, чтобы распространить слово своим соседям, что он уже есть копия ICEBs1, поэтому нет необходимости заморачиваться монтаж механизма передачи. Если это не удается, исключение ногами, чтобы физически заблокировать механизм передачи проникать в клетку-реципиент. Если это окажется безуспешным, а второй экземпляр поступает получателю, иммунитет будет инициировать и предотвратить вторую копию от интегрируются в хромосому реципиента.
“Каждый механизм действует на другой шаг, потому что ни одна из них не является на 100 процентов эффективным”, — говорит Гроссман. “Вот почему это полезно иметь несколько механизмов”.
Они не знают все детали этого механизма передачи просто нет, добавляет он, но они знают, что YddJ и Конг-ключевые игроки.
“Это первоначальное описание ICEBs1 изоляции система представляет первый отчет, который предоставляет механистическое понимание отчуждения в грам-положительных бактерий, и одна из немногих механистические исследования отчуждения в любой сопряжения системы”, — говорит Гэри сортир, профессор микробиологии и иммунологии в Университете Миннесоты, который не был вовлечен в исследование. “Эта работа является значимой с медицинской точки зрения, потому что ДВС может нести “груз” генов, такие как те, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, а также важные для нашего основного понимания горизонтальных систем переноса генов и как они развиваются.”
Как исследователи продолжают зондировать этот блокирующий механизм, можно использовать лед отчуждения, чтобы создать бактерию с конкретными функциями. Например, они могли бы спроектировать микробиомом и вводить полезные гены, чтобы помочь с пищеварением. Или, однажды, они, возможно, блокируют горизонтальный перенос генов для борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
“Мы давно подозревали, что грам-положительные Икес может быть способен исключение, но у нас не было доказательств до этого” Avello говорит. Теперь, исследователя могут начать рассуждать о том, как патогенные грам-положительные виды могут контролировать движение льдов на протяжении всего бактериального населения, возможные последствия для научных исследований.
Эта работа финансировалась научно-исследовательских и учебных предускорителя грантов от Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здоровья.
