Новый инструмент раскрывает поведение генов у бактерий
Бактериальные инфекции ежегодно вызывают миллионы смертей, а глобальную угрозу усугубляет растущая устойчивость микробов к антибиотикам. Это отчасти связано со способностью бактерий включать и выключать гены в ответ на изменения окружающей среды, включая присутствие лекарств.
Это переключение осуществляется через транскрипцию — процесс преобразования ДНК генов в её химического «кузена» — мРНК, которая направляет сборку белков, составляющих структуру микроба.
Понимание того, как регулируется производство мРНК для каждого бактериального гена, является центральным для борьбы с устойчивостью. Однако подходы, использовавшиеся для изучения этой регуляции до сих пор, были трудоёмкими. В новом исследовании учёные раскрыли метод, который может ускорить такие усилия.
Исследователи из Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне показали, что то, как гены включаются и выключаются по мере роста бактерий, даёт ключи к пониманию их регуляции.
Организмы от бактерий до человека растут по мере деления клеток, когда каждая клетка становится двумя. Перед делением клетки должны скопировать свою ДНК, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила копию. Для этого молекулярная машина — ДНК-полимераза — движется вдоль цепи ДНК, считывая и копируя гены один за другим.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, дополняет объяснения того, как экспрессия генов во всём геноме формируется репликацией ДНК во время роста бактерий. Команда обнаружила, что когда ДНК-полимераза достигает любого конкретного гена, она нарушает транскрипцию таким образом, что раскрывает состояние регуляции этого гена.
«Наши результаты показывают, что постоянную репликацию генов во время клеточного цикла по мере размножения и роста бактериальных клеток можно использовать, чтобы узнать о многих аспектах регуляции генов», — сказал ведущий исследователь Эндрю Паунтейн, доктор философии.
«Нам нравится аналогия с электрокардиограммой в медицине», — сказал старший исследователь Итаи Янай. Мониторинг паттернов электрической активности сердца позволяет ЭКГ выявить серию волн, дающих детальное графическое представление о здоровье пациента. Аналогично, волны изменений в количестве мРНК в ответ на репликацию гена создают сигнатуру на графике, которую авторы назвали профилем взаимодействия транскрипции и репликации (TRIP).
Исследователи показали, как определённые волны могут быть связаны с определёнными особенностями. Например, находится ли ген под специфической формой контроля, известной как репрессия, когда белок блокирует производство мРНК этого гена. У репрессированных генов были обнаружены характерные остроконечные паттерны TRIP.
«Наша цель — понять, как регуляция генов формирует эти TRIP, чтобы использовать их для диагностики регуляции генов во всём наборе из тысяч генов бактерии», — добавил Янай.
Команда планирует далее исследовать специфические TRIP генов, участвующих в способности бактерий вызывать заболевание, в поисках подсказок, как прервать или остановить этот процесс.
Новое исследование стало возможным благодаря технологическим достижениям в отслеживании активности генов в отдельных клетках в реальном времени с помощью scRNA-seq (секвенирование отдельных клеток) и smFISH (флуоресцентная гибридизация in situ на уровне одной молекулы).