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我们从每个亲生父母那里获得了一半的基因，因此没有避免继承两者的特征混合。然而，对于单细胞生物，如通过分裂成两个相同细胞而繁殖的细菌，将基因库中的多样性注入并不是那么容易。随机突变增加了一些多样性，但是细菌更快地重新调整基因并赋予抗生素抗性或致病性等进化优势。
这个过程被称为水平基因转移，允许细菌将DNA片段传递给同伴，在某些情况下，这些基因可以整合到受体的基因组中并传递给下一代。
麻省理工学院生物系的格罗斯曼实验室研究了一类移动DNA，称为整合和结合元素(ICEs)。虽然ICE含有可能对受体细菌有益的基因，但也有一个接收物，ICE的副本是浪费的，并且可能是致命的。生物学家最近发现了一种新系统，通过该系统，一种特定的ICE，ICEBs1阻止供体细菌提供第二种可能致命的拷贝。
“了解这些元素如何发挥作用以及它们如何受到调节将使我们能够确定驱动微生物进化的因素，”该研究的部门负责人兼高级作者艾伦·格罗斯曼说。“这些研究结果不仅可以让我们了解细菌如何阻止不必要的遗传转移，还可以了解我们如何最终将这个系统设计为自己的优势。”
前研究生Monika Avello博士 '18和现任研究生凯瑟琳戴维斯是这项研究的共同第一作者，该研究于7月30日在线分子微生物学上发表。
检查和平衡
尽管质粒可能是最着名的水平转移介质，但ICE不仅在大多数细菌物种中超过质粒，它们还带有自己的工具来离开供体，进入受体，并将自身整合到受体的染色体中。一旦供体细菌与受体接触，由ICE编码的机器可以通过微小通道将ICE DNA从一个细胞泵送到另一个细胞。
为了进行水平转移，需要克服物理障碍，特别是在所谓的革兰氏阳性细菌中，尽管没有广泛研究，但它们的细胞壁比它们的革兰氏阴性对应物更厚。根据戴维斯的说法，转移机械基本上必须通过受体细胞“打孔”。“如果那个细胞已经含有一组具有特定基因的ICE，那对于接受者来说，这是一个艰难的过程和浪费能源，”她说。
当然，ICE是“自私的DNA”，它们尽可能广泛地传播，但为了做到这一点，它们不能干扰宿主细胞的生存能力。正如Avello所解释的那样，ICE不能仅仅在没有某些检查和平衡的情况下传播他们的DNA。
“有一种情况是，这种转移是以细菌为代价的，或者对细胞没有意义，”她说。“这项研究开始探讨ICE何时，为何以及如何阻止转移的问题。”
格罗斯曼实验室在革兰氏阳性枯草芽孢杆菌中起作用，并且之前发现了ICEBs1在其变得致命之前可以防止多余转移的两种机制。第一种细胞 - 细胞信号传导涉及受体细胞中的ICE释放化学提示，禁止供体的转移机器组装。第二种免疫，如果复制品已经在细胞内，则启动，并防止复制品整合到染色体中。
然而，当研究人员尝试同时消除两种失效保护装置时，细菌仍然设法阻止重复复制，而不是像他们预期的那样重新安装ICE转移。ICEBs1似乎有第三种阻止策略，但它可能是什么?
第三种策略
在这项最新的研究中，他们将神秘的阻断机制确定为一种“进入排斥”，即受体细胞中的ICE编码分子机制，从物理上防止第二个拷贝破坏细胞壁。据Avello报道，科学家观察到其他移动遗传因素能够被排除，但这是有史以来第一次有人从革兰氏阳性细菌中看到这种现象。
格罗斯曼实验室确定这种排除机制归结为两种关键蛋白质。Avello鉴定了第一种蛋白质YddJ，由受体细菌中的ICEBs1表达，在细胞外部形成“保护性包被”并阻止第二种ICE进入。
但生物学家仍然不知道YddJ阻挡了哪一块转移机器，所以戴维斯进行了一次筛选和各种基因操作来确定YddJ的目标。事实证明，YddJ阻碍了另一种名为ConG的蛋白质，它可能是供体和受体细菌之间转移通道的一部分。戴维斯惊讶地发现，虽然革兰氏阴性的ICE编码的蛋白质与ConG非常相似，但革兰氏阴性的YddJ等同物实际上差异很大。
“这只是表明你不能假设像ICEBs1这样的革兰氏阳性ICE中的转移机制与经过充分研究的革兰氏阴性ICE相同，”她说。
该团队的结论是，ICEBs1必须有三种不同的机制来防止重复传输：他们之前发现的两个加上这个新的，排除。
细胞 - 细胞信号允许细胞将该单词扩散到其邻居，因为它已经具有ICEBs1的副本，因此不需要费心组装转移机器。如果失败，则排除物质阻止转移机器穿透受体细胞。如果证明不成功并且第二份拷贝进入接受者，则免疫将启动并防止第二份拷贝被整合到接受者的染色体中。
“每个机制都采取不同的步骤，因为它们中没有一个是100%有效的，”格罗斯曼说。“这就是为什么有多种机制会有所帮助的原因。”
他补充说，他们还不知道这种传输机制的所有细节，但他们确实知道YddJ和ConG是关键角色。
“对ICEBs1排除系统的初步描述代表了第一份报告，该报告提供了对革兰氏阳性细菌排除的机制见解，以及在任何结合系统中排除的少数机械研究之一，”微生物学教授Gary Dunny说。明尼苏达大学没有参与该研究的免疫学。“这项工作在医学上具有重要意义，因为ICE可携带”货物“基因，例如那些赋予抗生素抗性的基因，也对我们对水平基因转移系统及其进化方式的基本了解具有重要意义。”
随着研究人员继续探索这种阻断机制，有可能利用ICE排除来设计具有特定功能的细菌。例如，他们可以设计肠道微生物组并引入有益基因来帮助消化。或者，有一天，它们可能阻止水平基因转移以对抗抗生素抗性。
“我们曾怀疑革兰氏阳性ICE可能被排除在外，但在此之前我们没有证据，”Avello说。现在，研究人员可以开始推测致病革兰氏阳性物种如何控制整个细菌群体中ICE的运动，可能会对疾病研究产生影响。