转座子或称“跳跃基因”，是可以在基因组不同部分之间移动的DNA片段，对细菌的进化及抗药性的形成至关重要。
康奈尔大学的研究人员发现了这些基因在具有线性DNA的细菌中存活和繁殖的新机制，这一发现对生物技术和新产品开发具有应用潜力。
在最近《Science》期刊发表的一篇论文中，研究人员展示了转座子如何在细菌宿主的线性染色体末端进行靶向插入，即端粒的位置。在链霉菌中，研究团队发现转座子在近三分之一的染色体中控制了端粒。
“这在它们的生物学中占据了重要位置，”资深作者、微生物学教授Joseph Peters表示。“细菌就像这些小小的工匠，它们不断收集可移动的DNA片段，以创造新的功能——所有的抗药性问题实际上都是与可移动遗传元件息息相关的，几乎总是涉及在细菌之间移动的转座子。”
依托于一些五年前尚未普及的技术，研究人员在蓝藻和链霉菌中识别出多个转座子家族，这些转座子通过不同机制能够找到并插入到端粒，这对转座子及其细菌宿主都是有利的。其中之一是在染色体末端插入，这有助于转座子避开细胞核心功能基因，这些基因通常位于染色体的中间位置；能够锁定染色体末端的转座子不太可能干扰必需功能或导致细胞死亡。
“如果能够靶向端粒，就不太可能破坏宿主需要的基因，而这些端粒通过各种系统在细胞之间转移。”Peters说。“对于任何元件的存活——无论是转座子还是细菌——它们确实需要做到这两点：一是不能造成过多损害，二是需要能够转移到新的宿主。通过插入端粒，它们能够做到这两点。”
转座子聚集在真核细胞的染色体末端早已被发现，但这是首次在具有线性染色体的细菌中记录到该现象。研究人员发现，细菌转座子（与真核生物相比）使用独特的机制来控制端粒。
转座子通常被蛋白质结合序列包围，这些序列指示何时切除DNA元素并将其移动到新位置。在链霉菌中，研究人员观察到位于端粒处的转座子是单面的，一端是传统的转座子序列，另一端则是端粒。这使得转座子可以在功能上充当端粒，对细胞的生存变得至关重要。
“这使得它们对宿主变得必不可少，因为它们控制着端粒，如果这些元素与该系统一同被删除，宿主将会失去生存能力。”Peters说。
研究人员还发现了一种靶向端粒的转座子亚家族，该家族利用CRISPR系统——细菌通常用它来防御病毒——来靶向并插入到染色体末端。这一过程进一步证实了彼得斯实验室之前的研究，即转座子利用CRISPR系统在基因组中移动，从而为新型基因编辑工具的开发打开了可能性，该工具能够插入比现有CRISPR-Cas9更大的DNA片段。
“转座子不断吸收和利用这些系统，以不同的方式进行操作。”Peters说道。“在这篇论文中，我们解释了使用CRISPR-Cas系统靶向端粒的一种新元素。”
这些发现，特别是针对链霉菌的研究，其在实验室中难以操作并且是众多抗生素发现的重要来源，可能对新产品展开开发具有积极意义，因为转座子推动了细菌的进化，并可能引导研究人员找到新的有效成分。
“地球上的大部分生命形式都是微生物，尤其是细菌。”Peters表示。“我们希望了解这些生物是如何运作的，同时也期盼能利用这些系统为人类带来益处。”
杂志：Science
DOI：10.1126/science.adp1973
