染色体整合子：细菌抗噬菌体防御系统的 “生物宝库”
4秒后播放：
芯片上的分子尺寸与形状测量：开启分子研究新视野
染色体整合子：细菌抗噬菌体防御系统的 “生物宝库”
整合子（Integrons）是促进细菌进化的遗传系统。它们将嵌入基因盒中的基因招募到基因盒阵列的首个位置，在那里一个启动子（P
C）驱动这些基因表达，这有助于细菌获得新功能。整合子还会对基因盒阵列进行重排，进而调节基因表达。基因盒阵列的新配置可能通过自然选择在种群中增加出现频率。这一过程避开了耗时的从头进化创新，以及通过水平转移获取新基因的危险过程，从而促进了细菌的适应。虽然质粒携带的可移动整合子在抗生素耐药性发展中起着关键作用，但位于染色体上更大的整合子被认为是具有适应性功能的储存库。然而，在发现它们 20 多年后，对于这些大型久坐染色体整合子（SCIs）编码的大量基因的功能，仍存在很大的认知空白。
研究发现，在已知功能的少数 SCI 基因盒中，防御机制的占比过高。但霍乱弧菌（Vibrio cholerae）大型 SCI 中的大多数基因盒，编码的都是功能未知的蛋白质。主要假设是，整合子的特性可能使其成为特殊的功能 “生物宝库”，让细菌能够应对诸如噬菌体捕食之类的意外挑战。因此推测，SCIs 可能是新型抗噬菌体功能的巨大储备库。
通过生物信息学分析来识别整合子中潜在的抗噬菌体系统。在 32798 个细菌参考基因组中，发现整合子基因盒内存在 783 个完整的抗噬菌体系统。数据显示，整合子基因盒中编码的防御系统是已知最小的之一：它们组件更少，通常只有单个基因，而且这些基因比其他基因组位置的同源组件的基因更小。这表明整合子包含了小型化的分子系统，以适应整合子基因盒的大小。
由于第七次大流行的霍乱弧菌的模型 SCI 缺乏已知的防御系统，研究人员独立克隆了其 88 个功能未知的非冗余基因盒。用霍乱弧菌和大肠杆菌（Escherichia coli）的噬菌体对这些克隆进行测试时，发现其中 16 个基因盒编码新型抗噬菌体系统。这几乎占测试基因盒的 20%，占整个整合子阵列的 10% 。实验表明，其中几个系统会诱导细胞裂解或生长停滞，从而阻止噬菌体扩增。名为 Toutatis 的系统，编码一个由 63 个氨基酸组成的蛋白质，是目前描述的最小的防御系统。还在弧菌噬菌体 24 中鉴定出一种抗防御蛋白，它能抵御 Sucellos。这一发现证实了噬菌体和霍乱弧菌菌株之间长期的对抗性共同进化历史。将其中一个抗噬菌体基因盒重新定位到基因盒阵列中紧邻 PC启动子的第一个位置。结果显示，与初始位置相比，重新定位的基因盒能够提供保护，这与整合子的功能模型相符。这些新型系统是 SCI 最近获得的，因为它们只存在于霍乱弧菌的大流行菌株中。此外，它们在弧菌属（Vibrio spp.）的其他整合子以及其他进化枝的可移动遗传元件中存在同源物。
研究揭示，染色体整合子是防御系统的 “生物宝库”，可能在防御系统的获得、丢失和表达过程中发挥调控作用。整合子防御系统的紧凑特性，使得对其作用机制的研究尤为有趣。在单个 SCI 中大量存在这些系统，而 SCI 只是整合子基因盒多样性的一小部分，这表明整合子是生物技术领域尚未开发的新型工具来源。
请您填写留言
