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ICEのTn916が細菌の生存にどんな影響を与えるか

統合型および接合型要素が細菌や抗生物質耐性にどんな影響を与えるか探ってみて。

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Tn916のバクテリアへのTn916のバクテリアへの影響ての重要な洞察を明らかにする。Tn916は細菌の遺伝子伝達と耐性につい
目次

水平遺伝子移動は、細菌が新しい遺伝子を素早く獲得できるプロセスだよ。この能力は、さまざまな条件で生き残るのに役立つ。これが起こる一つの方法は、統合性および接合性要素(ICE)を通じてだね。ICEは、ある細菌から別の細菌に移動できるDNAの一部なんだ。通常、細菌のメインDNAにくっついて、2つの細菌がつながるときに移転することができる。

統合性および接合性要素とは?

ICEは、通常細菌の染色体の中にある特別なDNA要素だよ。接合と呼ばれる方法で別の細菌に移転できる。移動すると、新しい宿主のDNAに挿入されて、転送体と呼ばれる新しい存在を形成することがある。ICEは、抗生物質に耐性を持ちたいとか、パートナーシップを形成したり病気を引き起こしたりするために重要な遺伝子をよく持っているよ。

ICEのライフサイクル

ICEのライフサイクルは、いくつかのステップからなる。ICEが新しい細胞に転送されると、その細胞のDNAに統合できる。プロセスは、ICEが元の染色体から切り取られて、円形のDNAが形成されることから始まる。この円形DNAは複製されて、新しい細菌に転送される。その新しい細胞に到達すると、新しいDNAの一部になり、機能を開始できるんだ。

Tn916を理解する

Tn916は、最初に研究されたICEの一つだよ。これは、細菌がテトラサイクリンという抗生物質に耐えるのを助けたことで発見された。Tn916は、特にグラム陽性の細菌、例えば腸球菌や黄色ブドウ球菌に多く存在する。このICEは、自身の移動とライフサイクルに必要な遺伝子を持っていて、それには統合、切り取り、DNAの複製に関するものが含まれているんだ。

Tn916が細菌の染色体に統合されると、すべての遺伝子を発現させるわけじゃない。これは主に、細菌のDNAの一部になると、DNAの複製や移動のための遺伝子発現プロセスを開始するプロモーターがないからなんだ。

遺伝子発現におけるターミネーターの役割

Tn916の構造の重要な部分は、遺伝子のオン・オフを制御する転写ターミネーターを含んでいるよ。ターミネーターは遺伝子の読み取りを止める一方で、アンチターミネーターは読み取りを続行させる。Tn916には、T1、T2、T3などのターミネーターがいくつかある。特にT1は重要で、Tn916が宿主の活性プロモーターの下流に統合されているときに、不要な遺伝子の発現を防ぐことができる。

Tn916のcanTの機能

研究者たちは、Tn916の中にcanTという重要な領域を発見した。この領域は遺伝子発現に関与している。canTは、Tn916の転送と移動に必要な遺伝子が、要素が宿主の染色体から切り取られた後にのみ発現するように助けるんだ。そうすることで、宿主のDNAに統合されていても、Tn916のDNA解旋や複製に関する遺伝子はアクティブにならないから、宿主細胞はバランスを維持できる。

ターミネーターT1の調査

ターミネーターT1はTn916の始まりの近くに位置していて、染色体にICEが統合されている間に活発であれば有害な遺伝子の発現を制御する役割を果たす。研究者たちは、レポータシステムを使って、T1が遺伝子発現を効果的に減少させることができるかどうかをテストした。T1が無傷の場合、遺伝子発現は大幅に低下し、変異したときは発現レベルが上昇して、T1の機能性が確認された。

アンチターミネーションメカニズム

Tn916が切り取られた後、複製と転送を可能にする遺伝子を発現させる必要がある。しかし、ターミネーターT2とT3もバイパスしなければならない。canT領域はRNAポリメラーゼがこれらのターミネーターを無視するのを助けて、接合のために必要な遺伝子を発現できるようにするんだ。

研究者たちは、canTの変異が遺伝子発現の効率に影響を及ぼすことを発見し、それがアンチターミネーターとしての役割を確認した。canTが無傷の場合、下流の遺伝子の発現が効率的だったが、この領域での変異は発現の低下を引き起こした。

接合におけるcanTの重要性

canT領域は、Tn916の効果的な移動に必要不可欠だよ。研究者たちは、canTの変異がTn916の細菌間移動能力を大幅に低下させることを発見した。これにより、canTはTn916の機能に必要なだけでなく、新しい細菌宿主への成功した伝達にも重要だってことが示された。

宿主細胞へのフィットネスへの影響

T1の存在は、ICEが活性プロモーターの下流に位置しているときに宿主細菌にフィットネスの利点を与えることがわかった。Tn916のすぐ前に強いプロモーターを用いた実験では、T1が変異すると生存可能な細胞の数が大幅に減少した。このことは、ターミネーターがICEが統合されている間に複製遺伝子の発現から生じる有害な影響を防ぐ重要な役割を果たしていることを示唆しているよ。

自律的複製を防ぐメカニズム

Tn916は、自身の主要なプロモーターをDNAの解旋と複製を可能にする遺伝子から分離することで、自律的複製に関連する問題を防いでいる。この調節は、Tn916が統合されているときに有害な新しい複製のラウンドが開始されないようにするための鍵なんだ。

宿主プロモーターの近くのTn916挿入を発見する

Tn916の挙動を理解するために、研究者たちは活性宿主プロモーターの近くに位置するTn916挿入を特定しようとした。Tn916に発現を示すマーカーを付けることで、これらの要素がどこに統合され、どのように機能しているかを特定できた。

実験では、特定のTn916挿入がより効果的に競争できることが示されて、強いプロモーターの近くに位置することでフィットネスの利点があった。この発見は、ICEが細菌の進化や適応にどのように貢献するかを理解する上で重要だよ。

宿主フィットネスへのT1の影響を測定する

T1の細菌のフィットネスに対する重要性を測るために、野生型T1を持つ株とT1変異株の成長を比較する実験が行われた。結果は一貫して、機能的なT1を持つ株がより良く繁殖することを示し、T1が宿主細菌に対して重要な保護役割を果たしていることを確認した。

結論

Tn916やT1、canTなどの成分の研究は、モバイル遺伝子要素とその細菌宿主の複雑な関係を浮き彫りにしているよ。これらの要素がどのように機能するかを理解することで、科学者たちは微生物の進化、抗生物質耐性、そして細菌生態系の全体的なダイナミクスについての洞察を得ることができるんだ。アンチターミネーションや遺伝子発現の調整のようなメカニズムを通じて、ICEはその生存と細菌の集団間での成功した移転を確保するための魅力的な戦略を示しているよ。

オリジナルソース

タイトル: Transcription termination and antitermination are critical for the fitness and function of the integrative and conjugative element Tn916

概要: Premature expression of genes in mobile genetic elements can be detrimental to their bacterial hosts. Tn916, the founding member of a large family of integrative and conjugative elements (ICEs; aka conjugative transposons), confers tetracycline-resistance and is found in several Gram-positive bacterial species. We identified a transcription terminator near one end of Tn916 that functions as an insulator that prevents expression of element genes when Tn916 is integrated downstream from an active host promoter. The terminator blocked expression of Tn916 genes needed for unwinding and rolling circle replication of the element DNA, and loss of the terminator caused a fitness defect for the host cells. Further, we identified an element-encoded antiterminator (named canT for conjugation-associated antitermination) that is essential for transcription of Tn916 genes after excision of the element from the host chromosome. We found that the antiterminator is orientation-specific, functions with heterologous promoters and terminators, is processive and is most likely a cis-acting RNA. Insulating gene expression in conjugative elements that are integrated in the chromosome is likely a key feature of the interplay between mobile genetic elements and their hosts and appears to be critical for the function and evolution of the large family of Tn916-like elements. AUTHOR SUMMARYHorizontal gene transfer allows bacteria to rapidly acquire new traits that can enhance their adaptability to different conditions. Integrative and conjugative elements (ICEs) are mobile genetic elements that reside integrated in a bacterial chromosome and can transfer to another cell via cell-to-cell contact through the element-encoded secretion system. ICEs often confer beneficial traits to their hosts, including antibiotic resistances, symbiotic/pathogenic determinants, metabolic capabilities, and anti-phage defense systems. Tn916, the first-described ICE, was identified based on its ability to transfer tetracycline resistance in the pathogen Enterococcus faecalis, and is found in several Gram-positive species. Once transferred into a new cell, Tn916 integrates into AT-rich sequences, sometimes downstream from a host promoter. We found that Tn916 has a transcription terminator near one end of the element that blocks transcription from an upstream host promoter, thereby protecting cells from detrimental effects of premature expression of element genes. Further, we found that Tn916 has a transcription antitermination system that is essential for expression of element genes after excision from the host chromosome. Our findings highlight the complex layers of transcriptional regulation that have evolved in ICEs, impacting host cell viability and the spread of the element.

著者: Alan D. Grossman, E. S. Wirachman

最終更新: 2024-09-05 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.05.611371

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.05.611371.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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