Science：新研究揭示细菌的跳跃基因控制近三分之一染色体的端粒

作为一种DNA片段，转座子，也称为“跳跃基因”，可以从基因组的一部分移动到另一部分。它们是细菌进化和抗生素耐药性发展的关键。

如今，在一项新的研究中，来自康奈尔大学的研究人员发现了跳跃基因在具有线性DNA的细菌中生存和增殖的新机制。这一发现表明它们有潜力用于生物技术和药物开发。相关研究结果发表在Science杂志上。

研究人员指出，转座子可以靶向并插入细菌宿主内称为端粒的线性染色体末端。在历史上经常用于抗生素开发的链霉菌（Streptomyces）中，他们发现转座子控制着近三分之一染色体的端粒。

论文通讯作者、康奈尔大学微生物学教授Joseph Peters说，“这是它们生物学的重要组成部分。细菌就像小修补匠。它们总是收集这些可移动的DNA片段，并且一直在创造新的功能——抗生素耐药性的一切实际上都是关于可移动的遗传因子和几乎总是可以在细菌之间移动的转座子。”

利用五年前还没有的一些技术，研究人员在蓝细菌和链霉菌中发现了几个转座子家族，这些转座子家族使用不同的机制，可以发现端粒并在那里插入自己，这对转座子及其细菌宿主都有好处。

首先，插入染色体末端有助于转座子避开位于染色体中间的细胞核心功能基因；能够靶向染色体末端的转座子不太可能破坏基本功能，因而不会导致细胞死亡。

Peters说，“如果你能靶向染色体末端，你就不太可能敲除宿主想要的东西，然后这些末端通过各种系统在细胞之间转移。对于任何存活的遗传因子——转座子、细菌，它们真地需要能够做到这两件事：它们不需要造成太大的伤害，它们需要一种转移到新宿主的方法。通过插入端粒，它们能够做到这两点。”

在真核细胞中，转座子被发现聚集在染色体末端，但这是第一次在具有线性染色体的细菌中被记录下来，而且研究人员发现与真核生物相比，细菌转座子使用独特的机制来控制端粒。

转座子的两侧通常有蛋白质结合序列，指示在哪里切除DNA元件并将其移动到新的位置。在链霉菌中，研究人员观察到端粒处的转座子是单侧的，一端是传统的转座子序列，另一端是端粒。这在功能上允许转座子成为端粒，使其对细胞至关重要。

Peters 说，“这意味着转座子做的事情对宿主来说是必不可少的，因为它们如今控制着端粒，如果该DNA元件与这个系统一起被剔除，宿主就会死亡。”

研究人员发现了一个靶向端粒的转座子亚家族，该亚家族与通常被细菌用于防御病毒的CRISPR系统协同作用，以靶向并插入染色体末端。这一过程进一步证实了Peters实验室之前研究的发现，即转座子使用CRISPR系统在基因组中移动，这就为一种新的基因编辑工具开辟了可能性，这种新的工具可以插入比当前广泛使用的CRISPR-Cas9更大的DNA片段。

Peters 说，“转座子不断抓住这些系统，并以不同的方式劫持它们。在这篇论文中，我们解释了一种新的DNA元件利用CRISPR-Cas系统靶向端粒。”

这些新的见解可能对药物开发有用，因为转座子推动细菌进化，并可能指导科学家们开发新的抗生素和其他在这些转座子上编码的有用产品。

Peters说，“地球上大多数生命都是微生物，特别是细菌。我们想了解这些生物是如何运作的，然后我们想看看我们如何利用这些系统来改善人类。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Shan-Chi Hsieh et al, Telomeric transposons are pervasive in linear bacterial genomes, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp1973.