《Nature》解码基因行为的革命性工具

研究人员发现了一种加快细菌基因调控研究的方法，这种方法可以通过分析来帮助对抗抗生素耐药性DNA复制对基因表达的影响。

细菌感染每年造成数百万人死亡，由于微生物对抗生素治疗的耐药性日益增强，全球威胁更加严重。这在一定程度上是由于细菌在感知环境变化(包括药物的存在)时能够开关基因的能力。这种转换是通过转录完成的，转录将基因中的DNA转化为其化学表兄弟mRNA，mRNA指导构成微生物结构的蛋白质的构建。

因此，了解每种细菌基因的mRNA产生是如何被调控的是对抗耐药性的核心，但迄今为止用于研究这种调控的方法一直很费力。在一项新的研究中，科学家们揭示了一种可能加速这种努力的技巧。

用新发现加速研究

来自纽约大学格罗斯曼医学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员表明，随着细菌的生长，基因的开启和关闭方式为它们的调节提供了线索。

该研究的作者表示，从细菌到人类的生物体都是通过细胞分裂繁殖的，每个细胞变成两个。在细胞分裂之前，它们必须复制它们的DNA，这样两个子细胞中的每一个都有一个副本。为了做到这一点，一种叫做DNA聚合酶的分子机器在DNA链上滴答作响，一个接一个地读取和复制每个基因。

2024年1月24日发表在《自然》杂志网络版上的这项研究进一步解释了细菌生长过程中DNA复制如何塑造整个基因组的基因表达。具体来说，研究小组发现，当DNA聚合酶到达任何特定基因时，它会以某种方式破坏转录，从而揭示该基因的调节状态。

转录-复制相互作用概况(TRIP)

“我们的研究结果表明，在细菌细胞繁殖和生长的细胞周期中，基因的不断复制可以用来了解基因是如何被调节的许多方面，”该研究的首席研究员Andrew Pountain博士说，他是纽约大学朗格尼健康及其系统遗传学研究所的博士后研究员。

“我们喜欢医学上的心电图类比，”该研究的高级研究员、纽约大学朗格尼系统遗传学研究所教授Itai Yanai说。通过监测心脏电活动的模式，心电图显示出一系列的波，为病人的心脏健康状况提供了详细的图形视图。类似地，mRNA丰度的变化波响应于基因的复制，在图表上产生一个特征，作者将其称为转录-复制相互作用谱，简称TRIP。

研究人员展示了特定的波是如何与某些特征联系起来的。例如，一个基因是否处于一种被称为抑制的特定形式的控制之下，即一种蛋白质阻止该基因的mRNA的产生。这些被抑制的基因被发现具有特征性的，尖刺的TRIP模式。

Yanai补充说:“我们的目标是了解基因调控如何塑造这些TRIPs，目的是利用它们来诊断细菌中数千个基因的基因调控。我们希望我们对基因表达谱的进一步研究能够深入了解基因群如何对环境的破坏或变化做出反应。”

未来方向和技术创新

研究小组计划下一步研究已知与细菌致病能力有关的特定基因的TRIPs，以寻找如何中断或拖延疾病的线索。最终，他们相信技术的进步将使他们能够更深入地研究不同细菌物种的基因行为。

这项新研究之所以成为可能，是因为通过scRNA-seq(单细胞测序)和smFISH(单分子荧光原位杂交)实时跟踪单个细胞中的基因活性的技术进步。

参考文献:“Transcription-replication interactions reveal bacterial genome regulation” 24 January 2024, Nature.