细菌翻转使基因呈现出不同的形式

想象一下，只需翻个跟头就能改变你的外貌。一翻身，你的深褐色头发就变成了白金色。这与一些原核生物或单细胞生物(如细菌)经历的倒位现象相差无几。

斯坦福医学院科学家领导的一项研究表明，倒位(导致DNA片段物理翻转并改变生物体遗传特征的现象)可以发生在单个基因内，这挑战了生物学的中则——一个基因只能编码一种蛋白质。

“细菌比我最初想象的还要酷，我是一名微生物学家，所以我已经觉得它们很酷了，”血液学博士后学者雷切尔·查宁博士说。查宁说，微生物学家几十年来就知道，细菌可以翻转DNA的小片段来激活或停用基因。然而，据该团队所知，这些翻转的片段从未在单个基因范围内发现过。

就像颠倒“狗”这个词中字母的顺序可以完全改变一个句子的含义(“我是一只狗。”而不是“我是神。”)一样，基因内倒位本质上是使用相同的材​​料重新编码细菌的遗传信息。这可能导致基因激活、基因活动停止或倒置时编码产生不同蛋白质的序列。

“我记得看到这些数据时，我想，‘不可能，这不可能，因为这太疯狂了，不可能是真的，’”遗传学和医学教授阿米·巴特博士说。“我们花了几年时间试图说服自己，我们犯了一个错误。但据我们所知，我们没有。”

9月25日，《自然》杂志发表了一项详细介绍科学家研究成果的研究。Chanin和前博士后学者PatrickWest博士共同领导了这项研究。Bhatt是本文的资深作者。

反复无常

20世纪20年代，科学家在寻找治疗沙门氏菌的方法时首次发现了倒位的迹象。他们尝试从被细菌感染的动物身上收集抗体，希望这些免疫分子能够转移到其他动物身上，从而避免感染。但这种方法从未奏效——甚至连他们知道基因完全相同的细菌菌株都能够反击。科学家现在知道，这种逃避是由于倒位重新编码细菌的方式，使其能够逃脱动物的免疫。

此后，微生物学家发现，倒位发生在各种原核生物的小DNA片段中。但Bhatt和她的团队想知道，它们是否也会发生在单个基因中。West创建了一种名为PhaVa的算法，可以识别细菌基因组中可能发生的倒位。

该软件基本上从各种原核生物下载了数千个基因组序列片段，并扫描看起来“可翻转”的区域-具有称为倒置重复的片段，它们具有冗余回文性质(例如，ATTCC和CCTTA)-在潜在反转的另一端。

该算法会创建一个目录，列出这些序列翻转后的样子，并将虚构的基因组与真实序列进行比较。然后，它会计算生物体基因组中翻转序列和未翻转序列同时存在的区域，每个匹配都表明可能发生了反转。

该软件识别出存在于细菌和其他原核生物物种中的数千种倒位，首次揭示了倒位发生在基因内。巴特说，这引发了这样的想法：单基因倒位不仅会发生，而且可能相对常见。

“这确实让我们很惊讶，”巴特说。“据我​​们所知，这种情况以前从未见过。”

一个大问题仍然存在：是什么导致了这种倒置?研究小组怀疑有特定的酶介导这种翻转，以及某些环境因素推动了这种变化。

“这是现在要做的，”巴特说。“我们下一步的工作是尝试解码分子语法，以便我们能够建立一个酶数据库和一个酶翻转的倒置重复序列数据库。”

解释倒装

尽管关于倒置还有很多需要了解的地方，但Bhatt看到了众多应用的潜力。“这实际上是一种可遗传、可逆的基因调控类型，”她说。

她认为，科学家最终可能能够利用倒位来创建可切换的细菌系统，以控制其基因表达，这可能有助于合成生物学研究。或者某些疾病与细菌倒位状态之间存在联系，在这种情况下，可能有一种方法可以切换细菌的状态并调节疾病。

“这种适应性就隐藏在我们面前，等待着合适的工具、合适的技术和生物学问题被提出，”Chanin说。“这让我想知道，还有多少细菌的秘密在等着我们去发现?”

普林斯顿大学的研究人员参与了这项研究。