引言
適應力是任何物種生存的根本。在復雜的微環境中，細菌會面臨許多壓力，包括營養和生態席位競爭、氧化和氮化壓力或抗生素。為了克服這些挑戰，細菌可能會啟用特定的應答程式，這些程式透過改變轉錄或轉譯的表達模式來促進其在這些條件下的生存。此外，細菌子細胞可能會獲得基因突變，如單核苷酸變異或基因插入或缺失。這些基因的改變可能在適當的環境下促進細菌的生存。然而，除了突變和插入或缺失，細菌中已知的引入基因變異的機制較少，其中包括可替代的轉譯起始位點或終止子，滑動鏈錯配，在較大蛋白質中編碼小蛋白或微蛋白以及多樣性生成逆轉錄元件等。
來自單個細菌的細菌群體並非嚴格的複制體，通常包含具有不同表型的亞群。細菌可以透過相變這種預編程的可逆機制，在群體中改變基因表現水平，從而產生異質性。一種被廣泛研究的相變型別涉及酶介導的基因組DNA特定區域的倒位 （intragenic invertons） 。這些DNA倒位經常會翻轉啟動子的方向，進而開啟或關閉相鄰編碼區域的轉錄。透過這種機制，倒位可以影響適應力、生存或群體動態。
近日，來自史丹佛大學的 Ami S. Bhatt 團隊在 Nature 上發表題為 Intragenic DNA inversions expand bacterial coding capacity 的文章。研究 透過新開發的計算工具PhaVa，在細菌和古菌基因組中發現了372個基因內倒位 。 這些倒位使基因透過翻轉編碼區域內的DNA序列，能夠編碼多個蛋白質變體，從而增加了細菌的編碼能力，而不增加基因組大小。 其中作者特別關註了thiC基因。
作者使用了一個新開發的軟體工具PhaVa，該工具能夠從細菌分離株的長讀序列數據中辨識基因內倒位。研究特別集中在擬桿菌屬他米菌 （ Bacteroides thetaiotaomicron , BTh） 中辨識到的基因內倒位，並驗證了十種基因內倒位。作者透過實驗表征了硫胺素生物合成蛋白 thiC 中所含的基因倒位。作者公開了 PhaVa 軟體包和所有已辨識的基因倒位。
為了探索thiC基因內倒位子的作用，研究團隊透過基因工程方法生成了釘選正向和釘選反向的thiC基因突變株。這些突變株的基因內倒位被釘選在正向或反向，從而分析這些方向對基因表現的影響。
然後作者將這些突變株在不同濃度的硫胺質環境中進行競爭生長實驗，目的是測試釘選反向突變株是否在不同的環境條件下，尤其是在硫胺素供應充足的情況下，比釘選正向突變株具有有利競爭。透過質譜分析和轉錄組分析，研究團隊確定了由於thiC基因倒位導致的反義肽段，探索倒位對蛋白質功能的潛在影響。研究發現，thiC基因的釘選反向突變株在硫胺素充足的環境中表現出相對於釘選正向突變株的有利競爭，表明環境中的營養水平可以影響倒位的前進演化動態。
基因內倒位為細菌提供了一種新的基因調控層次，可能揭示之前未知的遺傳程式，這些程式有助於細菌適應復雜的環境。這對理解細菌的前進演化和適應能力具有重要意義。該研究為未來基因倒位的研究提供了路線圖，並為如何在合成生物學中套用這些倒位以調控細菌特性提供了新的視角。
參考文獻
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07970-4
責編 |探索君
排版|探索君
來源|BioArt
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