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转座子，或“跳跃基因”——可以从基因组的一个部分移动到另一个部分的DNA片段——是细菌进化和抗生素耐药性发展的关键。康奈尔大学的研究人员发现了这些基因在具有线性DNA的细菌中生存和繁殖的新机制，并将其应用于生物技术和药物开发。
转座子，或称“跳跃基因”——这些能够在基因组的不同部分之间移动的DNA片段，是细菌进化以及抗生素抗性发展的重要因素。
康奈尔大学的研究人员发现了一种新的机制，这些基因在具有线性DNA的细菌中生存和传播的方式，该发现可用于生物技术和药物开发。
在一篇《科学》杂志文章中，研究人员表明，转座子可以靶向并插入其宿主细菌染色体末端的端粒。在链霉菌中——这种细菌在抗生素开发历史上一直是最为重要的细菌之一——他们发现转座子控制了近三分之一的染色体端粒。
“这是它们生物学的一个重要部分，”资深作者、微生物学教授Joseph Peters说，“细菌就像是这些小修补匠。它们总是在收集这些移动的DNA片段，并且不断地创造新功能——抗生素抗性的一切都与移动遗传元件有关，几乎总是能够在细菌之间移动的转座子。”
凭借一些五年前还不存在的技术，研究人员识别出蓝细菌和链霉菌中几个家族的转座子，它们通过不同的机制找到并插入端粒，这对转座子及其细菌宿主都有益处。首先，在染色体末端插入有助于转座子避开位于染色体中部的细胞核心功能基因；能够靶向末端的转座子不太可能破坏一个基本功能或导致细胞死亡。
“如果你能靶向末端，你就不太可能敲除宿主需要的东西，然后这些末端通过各种系统在细胞之间转移，对于任何元素的生存——无论是转座子还是细菌——它们真的需要做到这两件事：它们需要不造成太多损害，并且需要一种转移到新宿主的方法。通过插入到端粒中，它们能够做到这两点。”
转座子通常被蛋白质结合序列所包围，这些序列指示在哪里切除DNA元件并将其移动到新位置。在链霉菌中，研究人员观察到端粒处的转座子是一侧的，一端是传统的转座子序列，另一端是端粒。这使得转座子在功能上成为端粒，从而对细胞至关重要。
“这使它们能够对宿主变得必不可少，因为它们现在控制了端粒，如果这个元件连同这个系统一起被删除，宿主就会死亡，”Peters说。
研究人员发现，转座子在真核细胞的染色体末端聚集，但这是第一次在具有线性染色体的细菌中记录到这种现象，研究人员发现细菌转座子（与真核生物相比）使用独特的机制来控制端粒。
转座子通常被蛋白质结合序列所包围，这些序列指示在哪里切除DNA元件并将其移动到新位置。在链霉菌中，研究人员观察到端粒处的转座子是一侧的，一端是传统的转座子序列，另一端是端粒。这使得转座子在功能上成为端粒，从而对细胞至关重要。
“这使它们能够对宿主变得必不可少，因为它们现在控制了端粒，如果这个元件连同这个系统一起被删除，宿主就会死亡，”Peters说。
研究人员发现，有一个亚家族的端粒靶向转座子利用了CRISPR系统——细菌通常用它来防御病毒——来靶向并插入染色体末端。这一过程进一步证实了彼得斯实验室之前的发现，即转座子利用CRISPR系统在基因组中移动，为开发一种新的基因编辑工具开辟了可能性，这种工具将允许插入比目前广泛使用的CRISPR-Cas9更大的DNA片段。
“转座子不断抓住这些系统，并以不同的方式加以利用，”Peters说，“在这篇文章中，我们解释了这些元素中一个新的利用CRISPR-Cas系统靶向端粒的案例。”
这些见解——尤其是关于链霉菌的，链霉菌在实验室中难以操纵，并且是许多抗生素的发现来源——可能对药物开发有用，因为转座子推动了细菌的进化，并可能引导研究人员发现这些转座子上编码的新抗生素和其他有用的产品。
“地球上大多数生命形式是微生物，特别是细菌，”Peters说，“我们希望了解这些生物体是如何运作的，但我们也希望看到如何利用这些系统为人类谋福利。”
合著者包括博士后研究员Shan-Chi（Popo）Hsieh和Michael T. Petassi；博士生Richard Schargel；以及日内瓦大学的合作伙伴Orsolya Barabas和Máté Fülop。
该研究得到了美国国立卫生研究院和欧洲研究委员会的资助。
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