可移动遗传元件ICEBs1从红色供体细胞转移到绿色受体细胞，后者在转移后显示出荧光点。
我们从父母那里各遗传了一半的基因，同时也不可避免地继承了来自父母双方的混合特征。然而，对于像细菌这样通过分裂成两个相同细胞来繁殖的单细胞生物来说，增加基因库的多样性并不容易。随机突变增加了一些多样性，但对于细菌来说，有一种更快的方式来重组它们的基因，并赋予进化优势（如抗生素耐药性或致病性）。这个过程被称为水平基因转移，它允许细菌将DNA片段传递给它们的同类，并在某些情况下，将这些基因整合到受体的基因组中，传递给下一代。
麻省理工学院生物系的Grossman实验室研究了一类被称为整合和结合元件（integrative and conjugative elements , ICEs）的移动DNA。虽然ICEs含有对受体细菌有益的基因，但这其中也存在一个陷阱——如果受体菌接受了ICEs的副本，那这不仅是一种浪费，而且可能是致命的。近日，生物学家们发现了一个新的系统，通过这个系统，一种特殊的ICEs——ICEBs1，可以阻止供体细菌产生第二个可能致命的副本。相关论文于7月30日的《分子微生物学》网络版。
“了解这些元件的功能以及它们是如何被调控的，可以帮助我们确定是什么推动了微生物进化。”该研究的部门主管、通讯作者Alan Grossman表示，“这些发现不仅让我们深入了解细菌如何阻止不必要的基因转移，而且还让我们知道，我们最终可能会如何设计这个系统，使其对我们有利。”
虽然质粒可能是最著名的水平基因转移介质，但在大多数细菌物种中，ICEs不仅数量超过质粒，而且它们还带着自己的工具离开供体，进入受体，并将自己整合到受体的染色体中。一旦供体细菌与受体接触，由ICEs编码的分子机器就可以通过一个微小的通道将ICEs的DNA从一个细胞泵到另一个细胞。
Grossman实验室主要研究ICEs何时、为何以及如何阻止副本转移的问题，并且之前已经发现了ICEBs1可以在其致命之前阻止重复转移的两种机制。第一种是细胞-细胞信号，受体细胞中的ICEs会释放出一种化学信号，阻止供体转运机器的组装。第二种是免疫，如果复制副本已经在细胞内，免疫系统就会启动，并阻止副本整合到染色体中。
然而，当研究人员试图同时消除这两个故障保险时，细菌仍然设法阻止了副本转移。ICEBs1似乎有第三种阻断策略，但可能是什么呢?
在最近的一项研究中，他们将这种神秘的阻断机制定义为“进入排斥”，即受体细胞中的ICEs对分子机器进行编码，从而在物理上阻止第二份拷贝突破细胞壁。这种排斥机制归结于两个关键蛋白质。Avello发现了第一个蛋白质——YddJ，由ICEBs1在受体细菌中表达，在细胞外形成一层“保护层”，阻止第二个ICEs进入。但生物学家们仍然不知道YddJ阻断的是哪一种转移机制，因此Davis进行了筛选和各种基因操作，以确定YddJ的目标。结果发现，YddJ阻碍了另一种叫做ConG的蛋白质，这种蛋白质很可能是供体和受体细菌之间转移通道的一部分。
研究小组的结论是，ICEBs1必须有三种不同的机制来防止重复转移。Grossman说：“每一种机制都在不同的步骤上发挥作用，因为没有一种机制是百分之百有效的。这就是为什么拥有多种机制是有益的。”他补充说，他们还不知道这个转移机制的所有细节，但他们知道YddJ和ConG在其中扮演了关键角色。
“这项工作在医学上具有重要意义，因为ICEs可以携带“货物”基因，比如那些赋予细菌抗生素耐药性的基因，而且这项工作对于我们对水平基因转移系统及其进化过程的基本理解也很重要。”明尼苏达大学的微生物学和免疫学教授Gary Dunny说，他并没有参与这项研究。
随着研究人员继续探索这种阻断机制，或许可以利用ICEs排斥机制设计具有特定功能的细菌。例如，科学家们可以设计肠道微生物群，并引入有益的基因来帮助消化。或者，有一天，这种机制可能会阻止水平基因转移来对抗抗生素耐药性。
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编译：花花 审稿：alone 责编：张梦
期刊来源：《分子微生物学》 期刊编号：0950-382X
原文链接： https://phys.org/news/2019-08-block-unwanted-genetic.html
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