论文ID
题目：Intragenic DNA inversions expand bacterial coding capacity
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年9月25日
通讯作者单位：斯坦福大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07970-4
主要内容：
如果细胞可以使自己的基因组多样化，那么面对不断变化的环境条件，这可能是有利的。已经发现细菌可以通过使用基因内部序列倒置的技巧来改变编码的蛋白质。
随机突变是许多生物体（包括细菌）用来产生基因组变化的强大方法，当遇到环境中条件发生变化时，可以提高成功率（适应性）。然而，依赖随机突变的缺点包括稀有生物体的遗传变化速度相对较慢，以及缺乏遗传特异性。在特定基因组位点快速产生变化的另一种策略称为相位变化，这可能导致细胞特性的变化（表型异质性）。DNA 序列倒置是相位变化的一种形式，其中 DNA 结合蛋白和称为重组酶的酶可以可逆地翻转基因组中一个区域的方向，该区域称为反转子，该区域两侧是蛋白质结合位点。
Writing in Nature， Chanin 等人揭示细菌经常反转基因内的 DNA 序列，这一过程称为基因内倒置。以前在细菌中从未观察到这种类型的倒置。据我们所知，先前唯一关于基因内倒置的报道是在人类 DNA 中描述的线粒体细胞器的短得多的倒置（只有七个核苷酸）。
先前描述的反转子的示例包括驱动基因表达的序列（称为启动子），被翻转，以便启动子驱动两种不同蛋白质的表达。或者，反转子可用于在启动子的两个下游序列之间交换，同时保持编码基因产物固定部分的“恒定”初始序列。
到目前为止，一种称为短读长测序的 DNA 测序的局限性阻碍了反转子的大规模鉴定，这种测序需要计算分析（插补）来生成全长细菌基因组图谱。Chanin 及其同事介绍了一种名为 PhaVa 的分析工具，该工具利用改进的测序技术（长读长测序）来识别以前未知的潜在相位变异。正如作者所证明的那样，由于在长读长测序中获得的长片段连续 DNA 可以包含 DNA 的整个反向区域，因此可以非常准确地鉴定 invertons。有趣的是，还发现基于长读长的鉴定比短读长方法更敏感，每个基因组检测到的反转子大约多十倍。富含倒置子的细菌亚群包括来自拟杆菌门、梭菌门、γ变形菌门和疣微菌门的细菌亚群。
Chanin 及其同事还发现了一类以前未知的 invertons——基因内 invertons。“正向”序列的一部分（对应于编码蛋白质的参考序列）被翻转以换入“反向”反向序列（图 1）。其中一些反转子能够产生相同长度的蛋白质的两个版本;其他人可以通过引入结束蛋白质生产的序列（终止密码子）来生成较短的蛋白质。有时，这些类型的反转子可以断开某些蛋白质的感应和响应功能，例如影响嗜水气单胞菌 BarA 蛋白的反转子，该细菌重新编码蛋白质结构域的一部分，并可能改变蛋白质的信号传导。
基因内反转子可能导致蛋白质功能、结构和下游信号的变化，但需要更多的实验来充分了解这种影响，尤其是在不同的生长环境中。作者指出，与基因间反转不同，基因间反转发生在基因之间的非编码 DNA 序列中，并且往往普遍位于样品的两个方向之一，基因内反转通常存在于给定样品中的正向和反向（反向）方向。
作者还将人类粪便样本中细菌物种混合物（宏基因组）的基因组序列中鉴定的反转子与来自细菌菌株 Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482 的体外培养分离株的反转子进行了比较。他们观察到，人类样本中细菌中的转化子比体外样本中的转化子更多，也更有可能是异质性的——这表明翻转活性。人类样本中细菌中的反转子相对于参考基因组序列（由体外分离株产生）通常处于相反的方向。这表明参考基因组可能对体内细菌基因组的代表性很差，至少从反转子状态的角度来看是这样。
作者深入研究了他们在 B. thetaiotaomicron 的一个基因中鉴定出的一种特定的基因内反转子，该基因编码产生维生素硫胺素所需的蛋白质 ThiC。反向子导致在序列的翻转、非参考方向中引入早期终止密码子。硫胺素是细胞代谢几个方面的辅助因子。硫胺素的生物合成需要许多酶，包括由基因 thiC 编码的 ThiC。
作者研究了 thiC 序列倒置的生物学效应，推测翻转的非参考方向会产生一种依赖于获得硫胺素的突变型细菌。作者生成了具有 thiC 转化子的“锁定”正向或反向版本以及 thiC 缺失突变体的菌株，并评估了暴露于生长培养基中各种硫胺素浓度时的生长情况。正如预测的那样，作者发现锁定前移菌株（对应于参考基因组）具有不依赖硫胺素的生长，类似于野生型菌株。相比之下，锁定反向菌株具有与 thiC 缺失突变体相似的特征，并且具有硫胺素依赖性生长。
作者能够证明，短版本的 ThiC 和 ThiC-inverton 衍生肽的产生是锁定倒置细菌菌株所独有的。为了评估锁定前向和倒置菌株的相对适应性，作者在不同浓度的硫胺素下进行了体外竞争性生长实验（图 1）。
在 0.01 微摩尔至 10 μM 浓度的硫胺素浓度之间的条件下，锁定倒置应变比锁定正向应变具有显着优势。人体肠道的硫胺素浓度为 0.02-2 μM，表明倒置可能使细菌能够快速适应它在体内遇到的不同硫胺素浓度，类似于前面描述的现象。然而，硫胺素浓度似乎不会影响倒置所需的转化酶的表达或 thiC 倒置的速率。未来的研究可能有助于确定调节转化酶的机制。
DNA 倒置引起的相变是一种迷人的机制，可能为适应新环境提供选择。通过开发 PhaVa 以利用长读长测序技术并将其应用于这种现象，Chanin 及其同事为科学家提供了一个重要工具，以更好地了解细菌和其他生物体调整其基因组编程的方式，以快速适应不同条件并在不同条件下生存。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07970-4
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