Исследование опубликовано в журнале Cell.
Хора Меррих, доцент микробиологии Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, возглавляла исследовательскую группу.
Она сказала, что результаты показывают, что эти лобовые столкновения являются частью процесса, с помощью которого бактерии контролируют свою эволюцию, ускоряя мутации в ключевых генах, участвующих в адаптации к новым условиям.
«Эти столкновения могут служить механизмом, способствующим адаптации в условиях, которые имеют решающее значение для жизни бактерий, таких как адаптация к стрессам окружающей среды или, в случае болезнетворных бактерий, к условиям внутри клетки-хозяина во время инфекции», – сказал Меррих.
Исследователи изучили столкновения, которые происходят между двумя типами молекулярных машин, большими белковыми комплексами, которые ползают по хромосомам, когда они «читают» генетические инструкции, закодированные в последовательности ДНК хромосом.
Одна из этих машин, называемая РНК-полимеразой, использует инструкции, закодированные в генах, для сборки цепи РНК, называемой информационной РНК (называемой мРНК).
Клетка будет использовать эту цепочку в качестве шаблона для синтеза белков, этот процесс называется транскрипцией.
Работа другой машины, называемой реплисомой, заключается в создании копии хромосомы во время деления клетки, процесс, называемый репликацией. Это дает обоим потомкам клетки собственную хромосому. Во время каждого из этих процессов две цепи двухцепочечной ДНК должны быть открыты, чтобы можно было прочитать последовательности ДНК, содержащие генетический код.
Поскольку большинство генов ориентировано на репликацию, эти машины обычно движутся в том же направлении, что и вдоль хромосомы. Поскольку реплисомы перемещаются быстрее, они иногда обгоняют более медленную РНК-полимеразу и вызывают столкновение с задним концом.
Хотя эти столкновения могут мешать репликации, нарушение обычно незначительное.
В таких случаях у клеток есть механизмы для быстрого решения этих проблем.
Однако есть некоторые гены, которые закодированы в хромосоме "в обратном направлении"."Когда эти гены необходимо экспрессировать, РНК-полимераза должна двигаться в противоположном обычному направлении, и происходит лобовое столкновение между РНК-полимеразой и реплисомой.
Эти лобовые столкновения оказывают гораздо большее влияние на репликацию и транскрипцию. Они также увеличивают частоту генетических ошибок в этих "обратных" генах.
Предыдущее исследование показало, что две машины останавливаются, потому что они на самом деле вступают в прямой контакт, или когда они приближаются друг к другу, ДНК между ними скручивается в тугие спирали, тем самым контролируя их продвижение.
Хотя это могут быть факторы, в новом исследовании исследователи UW демонстрируют, что другой механизм может объяснить, почему лобовые столкновения настолько разрушительны и как они увеличивают образование мутаций в некоторых генах.
Исследователи обнаружили, что когда происходят эти столкновения, цепь информационной РНК, собираемой РНК-полимеразой, на самом деле связывается с одной из цепей ДНК, стоящих за ней.
Эта нить была открыта в процессе транскрипции. Это связывание создает гибрид РНК: ДНК, называемый R-петлей (для RNA-loop), который эффективно блокирует репликацию.
Исследователи обнаружили, что блокада настолько эффективна, что без фермента, удаляющего R-петли, бактерии погибают.
Но почему существуют эти отсталые, направленные в лоб гены, если они представляют такую угрозу??
Оказывается, что большинство из этих прямых генов включаются, когда бактерии находятся в состоянии стресса, например, когда они подвергаются воздействию агрессивной среды.
Меррих и ее коллеги постулируют, что в этих стрессовых ситуациях лобовые столкновения увеличивают мутации в этих генах стрессовой реакции. Некоторые из этих мутаций могут увеличить шансы на то, что потомство бактерии выживет и будет процветать в аналогичных условиях в будущем.
Кевин Лэнг, научный сотрудник лаборатории Меррикха и первый автор исследования, сказал, что механизм, похоже, является компромиссом: бактерии признают, что, хотя лобовые столкновения нарушают репликацию и увеличивают вредные мутации, они также способствуют потенциальному развитию. за полезные мутации в ключевых генах, которые позволят им выжить в сложных условиях.
«Одна из изученных нами бактерий, Listeria monocytogenes, может жить в различных средах, таких как соленые продукты в вашем холодильнике или, когда вы заразились, в ваших клетках», – объяснил он. иметь возможность быстро развиваться и развиваться."