與其他生物不同，細(xì)菌可以從環(huán)境中吸收遺傳物質(zhì)。這種交換基因的能力使他們能夠獲得新的特征，如不同的代謝途徑，毒力基因和抗生素抗性。

更好地理解基因轉(zhuǎn)移的復(fù)雜機(jī)制可能是阻止抗生素耐藥性增加的全球威脅的關(guān)鍵。我們的最新發(fā)現(xiàn)使我們通過(guò)發(fā)現(xiàn)一套新規(guī)則使我們更接近這一目標(biāo)。

細(xì)菌基因組做了我們做不到的事情

細(xì)菌是我們不變和無(wú)處不在的伴侶。在每個(gè)表面上都聚集著大量的細(xì)菌，它們的集體生物量比整個(gè)人口的生物量大一千倍。

沒(méi)有細(xì)菌，我們將無(wú)法生存多久。我們應(yīng)該讓它們成為我們的星球的可居住地，以及它們?cè)趯I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到土壤中的作用。沒(méi)有微生物的地球是一場(chǎng)噩夢(mèng)般的場(chǎng)景。然而，允許細(xì)菌在不受其他生命形式限制的條件下生存的進(jìn)化過(guò)程也可能使它們對(duì)人類(lèi)健康有害。

與人類(lèi)基因組不同，人類(lèi)基因組在我們有生之年仍然相對(duì)不摻雜，細(xì)菌經(jīng)常獲得新的遺傳物質(zhì)。自從你開(kāi)始讀這篇文章以來(lái)，你身邊的一些細(xì)菌已經(jīng)發(fā)生了變化

雖然我們自己的遺傳物質(zhì)隱藏在核的保護(hù)膜后面，但細(xì)菌沒(méi)有這種類(lèi)似拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。最近一種細(xì)菌通過(guò)稱(chēng)為水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)的現(xiàn)象可以獲得多達(dá)60%的基因組，其中大片DNA可以在一個(gè)步驟中交換或完全替換。

難題

HGT的神秘之處在于它剁碎和改變DNA的過(guò)程乍一看似乎是隨意的，但HGT往往最常發(fā)生在密切相關(guān)的物種之間。為什么?

水平基因轉(zhuǎn)移可以以幾種不同的方式發(fā)生。它們中的每一種都?xì)w結(jié)為一些DNA被引入細(xì)菌細(xì)胞，緊鄰細(xì)胞自身的DNA，并被意外地整合到染色體中。無(wú)論DNA如何在細(xì)胞內(nèi)結(jié)束，引入的DNA都可以包含在受體細(xì)胞的基因組中。沒(méi)有基因似乎免疫。

如果故事很簡(jiǎn)單，那就是它。具有新DNA的細(xì)胞將通過(guò)與其他當(dāng)?shù)匚⑸锔?jìng)爭(zhēng)資源而面臨自然選擇。如果DNA含有有益的基因，這可能意味著細(xì)胞具有新的能力，就像在下一次局部抗生素末世中幸存一樣。

然而，生物學(xué)很少這么簡(jiǎn)單。相反，更密切相關(guān)的細(xì)菌傾向于比人們預(yù)期的更頻繁地給予和接受基因。令人驚訝的部分原因是，在任何環(huán)境中捐獻(xiàn)基因的最可能的候選者都不是近親。在一克土壤中可以發(fā)現(xiàn)多達(dá)18,000個(gè)單獨(dú)的細(xì)菌基因組。這表明除了接近之外的其他因素決定了基因轉(zhuǎn)移事件的成功。

規(guī)則

在我們工作的核心是短，重復(fù)序列被稱(chēng)為目標(biāo)，或者一個(gè)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)IM離別小號(hào)equences。AIMS在DNA復(fù)制和細(xì)菌DNA分離過(guò)程中非常重要。

我們發(fā)現(xiàn)，如果AIMS組在供體和受體基因組之間很好地匹配，則可以維持在這些基因組之間移動(dòng)的DNA。如果它們沒(méi)有很好地匹配，則相反，實(shí)際上建立了“轉(zhuǎn)移規(guī)則”。

在自然界中，傳入的DNA在細(xì)菌染色體上下雨。受體細(xì)胞的AIMS有點(diǎn)像一個(gè)多孔的傘，只允許AIMS兼容的DNA通過(guò)添加到染色體上。反轉(zhuǎn)的模式(其中一大塊DNA轉(zhuǎn)向面向相反方向的隨機(jī)事件)和細(xì)菌染色體中的HGT表明自然選擇已經(jīng)過(guò)濾掉了具有不相容AIMS的HGT發(fā)生的細(xì)菌。

值得一提的是，AIMS不是一個(gè)硬障礙，而是對(duì)HGT的一種約束，它可以積極地促進(jìn)密切相關(guān)生物之間的轉(zhuǎn)移。雖然我們的研究結(jié)果表明錯(cuò)誤的AIMS可能會(huì)導(dǎo)致像DNA復(fù)制和分離這樣的重要系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，但是如果它們具有不相容的AIMS，則新獲得的細(xì)胞改變劑的基因，如抗生素抗性基因，不太可能被過(guò)濾掉。與生物學(xué)一樣，基于A(yíng)IMS的規(guī)則是另一個(gè)更復(fù)雜的難題。

讓它對(duì)我們有利

質(zhì)粒是雙鏈DNA的微小環(huán)，漂浮在細(xì)胞中，能夠獨(dú)立于細(xì)菌染色體進(jìn)行復(fù)制。這使它們免受AIMS相關(guān)的基因轉(zhuǎn)移限制;他們不必進(jìn)入染色體。它們是新型DNA可以最終進(jìn)入細(xì)胞的一種方式。

它們通常還含有抗生素抗性基因。如果我們能找到使這些質(zhì)粒對(duì)環(huán)境中的細(xì)菌更難以忍受的方法，也許我們可以限制它們的傳播，就像AIMS限制細(xì)菌染色體之間的轉(zhuǎn)移一樣。

一個(gè)想法是一種遺傳工具，它將迫使質(zhì)粒與染色體物理整合。這將同時(shí)使這些移動(dòng)性降低并使它們受到染色體起作用的限制。例如，質(zhì)粒“固定化”盒可以部署在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中，以減少一組稱(chēng)為ESKAPE病原體的多藥抗性致病細(xì)菌中基于質(zhì)粒的基因轉(zhuǎn)移。

如果我們能做到這一點(diǎn)，也許在未來(lái)我們可以阻止我們擔(dān)心的基因的傳播，如抗生素抗性基因或毒力基因。