Бактериальные «прыгающие гены» могут нацеливаться на концы хромосом и контролировать их

Транспозоны, или «прыгающие гены» — сегменты ДНК, способные перемещаться по геному — играют ключевую роль в эволюции бактерий и развитии устойчивости к антибиотикам.

Исследователи из Корнеллского университета открыли новый механизм, который эти гены используют для выживания и распространения в бактериях с линейной ДНК. Открытие имеет перспективы для биотехнологий и разработки лекарств.

В статье, опубликованной в журнале Science, учёные показали, что транспозоны могут нацеливаться и встраиваться в концы линейных хромосом, называемые теломерами, внутри бактерии-хозяина. У Streptomyces — одних из наиболее значимых в истории бактерий для производства антибиотиков — они обнаружили, что транспозоны контролировали теломеры почти на трети хромосом.

«Это большая часть их биологии, — сказал старший автор работы Джозеф Питерс, профессор микробиологии. — Бактерии — это такие маленькие изобретатели. Они постоянно собирают эти мобильные фрагменты ДНК и создают новые функции — всё, что связано с устойчивостью к антибиотикам, на самом деле связано с мобильными генетическими элементами, и почти всегда это транспозоны, которые могут перемещаться между бактериями».

Используя технологии, недоступные ещё пять лет назад, исследователи идентифицировали несколько семейств транспозонов у цианобактерий и Streptomyces, которые разными механизмами находят и встраиваются в теломеры. Это выгодно как самому транспозону, так и бактерии-хозяину.

Во-первых, встраивание в конец хромосомы помогает транспозону избегать генов, отвечающих за основные функции клетки, которые находятся в середине хромосом. Транспозоны, нацеленные на концы, с меньшей вероятностью нарушат жизненно важную функцию или вызовут гибель клетки.

«Если вы можете нацелиться на конец, вы с меньшей вероятностью выключите что-то нужное хозяину. А эти концы, с помощью различных систем, передаются между клетками», — пояснил Питерс.

«Чтобы любой элемент — транспозон, бактерия — выжил, он должен уметь делать две вещи: не наносить слишком много вреда и иметь способ перемещаться к новым хозяевам. Встраиваясь в теломеры, они способны на и то, и другое».

Скопления транспозонов на концах хромосом ранее находили в эукариотических клетках, но впервые это задокументировано у бактерий с линейными хромосомами. Исследователи обнаружили, что бактериальные транспозоны (в отличие от эукариотических) используют уникальные механизмы для контроля теломер.

Транспозоны обычно окружены последовательностями, связывающими белки, которые указывают, где вырезать ДНК-элемент и переместить его в новое место. У Streptomyces учёные наблюдали, что транспозоны на теломерах были «односторонними»: с одной стороны у них была традиционная последовательность транспозона, а с другой — сама теломера. Функционально это позволяет транспозону быть теломерой, делая его, как правило, необходимым для клетки.

«Это позволяет им стать необходимыми для хозяина, потому что теперь они контролируют теломеру. Если элемент вместе с этой системой будет удалён, хозяин погибнет», — сказал Питерс.

Исследователи обнаружили одно подсемейство транспозонов, нацеленных на теломеры, которое заимствовало систему CRISPR — обычно используемую бактериями для защиты от вирусов — чтобы нацеливаться и встраиваться в концы хромосом. Этот процесс является дополнительным подтверждением предыдущих исследований лаборатории Питерса, которые обнаружили, что транспозоны используют системы CRISPR для перемещения по геномам. Это открывает потенциал для нового инструмента редактирования генов, который позволит вставлять более крупные участки ДНК, чем широко используемая сейчас система CRISPR-Cas9.

«Транспозоны продолжают захватывать эти системы и использовать их по-разному, — сказал Питерс. — В этой статье мы описали новый такой элемент, использующий систему CRISPR-Cas для нацеливания на теломеры».

Эти открытия — особенно в отношении Streptomyces, с которыми сложно работать в лаборатории и которые являются источником многих наших антибиотиков — могут оказаться полезными для разработки лекарств. Поскольку транспозоны движут эволюцией бактерий, они могут направить исследователей к новым антибиотикам и другим полезным продуктам, закодированным на этих транспозонах.

«Большая часть жизни на планете — это микробы, и в частности бактерии, — сказал Питерс. — Мы хотим понять, как функционируют эти живые организмы, но затем мы хотим увидеть, как мы можем использовать эти системы на благо человечества».

Соавторами работы являются постдоки Шань-Чи (Попо) Хсиех и Майкл Т. Петтаси, аспирант Ричард Шаргель, а также партнёры из Женевского университета Оршойя Барабаш и Мате Фюлёп.