Новое исследование представляет новый метод понимания регуляции бактериальных генов, что потенциально ускоряет усилия по борьбе с устойчивостью к антибиотикам. Изучая, как репликация ДНК влияет на транскрипцию генов, исследователи разработали способ определения регуляторного состояния генов, что позволяет лучше понять механизмы роста и устойчивости микроорганизмов. Фото: SciTechDaily.com
Исследователи обнаружили метод, ускоряющий изучение регуляции бактериальных генов, который может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам путем анализа ДНК влияние репликации на экспрессию генов.
Бактериальные инфекции ежегодно становятся причиной миллионов смертей, причем глобальная угроза усугубляется растущей устойчивостью микробов к лечению антибиотиками. Частично это связано со способностью бактерий включать и выключать гены, когда они чувствуют изменения окружающей среды, включая присутствие лекарств. Такое переключение осуществляется посредством транскрипции, которая преобразует ДНК в генах в ее химическую родственную мРНК, которая направляет построение белков, составляющих структуру микроба.
По этой причине понимание того, как производство мРНК регулируется для каждого бактериального гена, имеет решающее значение для усилий по противодействию резистентности, но подходы, используемые для изучения этой регуляции до сих пор, были трудоемкими. В новом исследовании ученые раскрыли трюк, который может ускорить такие усилия.
Ускорение исследований с помощью нового открытия
Исследователи из Медицинской школы имени Гроссмана Нью-Йоркского университета и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн показали, что то, как гены включаются и выключаются по мере роста бактерий, дает ключ к их регуляции.
По мнению авторов исследования, организмы, от бактерий до человека, растут по мере того, как их клетки размножаются путем деления, при этом каждая клетка становится двумя. Прежде чем клетки начнут делиться, они должны скопировать свою ДНК так, чтобы каждая из двух дочерних клеток имела копию. Для этого молекулярная машина под названием ДНК-полимераза сканирует цепочку ДНК, считывая и создавая копии каждого гена один за другим.
Публикация онлайн сегодня (24 января) в журнале. ПриродаИсследование дополняет объяснение того, как экспрессия генов по всему геному формируется репликацией ДНК во время роста бактерий. В частности, исследовательская группа обнаружила, что когда ДНК-полимераза достигает какого-либо конкретного гена, она нарушает транскрипцию, что позволяет выявить состояние регуляторного статуса этого гена.
Профиль взаимодействия транскрипции-репликации (TRIP)
«Результаты нашего исследования показывают, что постоянная репликация генов в течение клеточного цикла, когда бактериальные клетки размножаются и растут, может быть использована для изучения многих аспектов регуляции генов», — сказал руководитель исследования Эндрю Паунтейн, доктор философии, научный сотрудник с докторской степенью. в NYU Langone Health и его Институте системной генетики.
«Нам нравится аналогия с электрокардиограммой в медицине», — сказал Итай Янаи, старший исследователь исследования и профессор Института системной генетики Нью-Йоркского университета в Лангоне. Отслеживая закономерности электрической активности сердца, ЭКГ выявляет серию волн, которые обеспечивают подробное графическое представление о состоянии сердца пациента. Точно так же волны изменений количества мРНК в ответ на репликацию гена создают подпись на графике, которую авторы назвали профилем взаимодействия транскрипции-репликации, или TRIP.
Исследователи показали, как определенные волны могут быть связаны с определенными особенностями. Например, находится ли ген под определенной формой контроля, известной как репрессия, когда белок блокирует образование мРНК этого гена. Было обнаружено, что эти репрессированные гены имеют характерные пиковые паттерны TRIP.
«Наша цель — понять, как регуляция генов формирует эти TRIP, с целью использовать их для диагностики регуляции генов по всему набору из тысяч генов бактерии», — добавил Янай. «Мы надеемся, что наши дальнейшие исследования профилей экспрессии генов позволят понять, как группы генов реагируют на нарушения или изменения в их среде».
Будущие направления и технологические инновации
В дальнейшем команда планирует исследовать конкретные TRIP генов, которые, как известно, участвуют в способности бактерий вызывать заболевание, чтобы найти подсказки о том, как прервать или остановить его. В конечном счете, они полагают, что усовершенствования в технологии позволят им еще глубже погрузиться в поведение генов различных бактерий. разновидность.
Новое исследование стало возможным благодаря технологическим достижениям в отслеживании активности генов в отдельных клетках в режиме реального времени с помощью scRNA-seq или секвенирования отдельных клеток, а также smFISH, сокращенно от флуоресценции одиночных молекул in situ гибридизации.
Ссылка: «Взаимодействия транскрипции-репликации раскрывают регуляцию бактериального генома», Эндрю В. Поунтен, Пейен Цзян, Тянью Яо, Эхсан Хомаи, Ичао Гуан, Кевин Дж. К. Макдональд, Магдалена Подковик, Бо Шопсин, Виктор Дж. Торрес, Идо Голдинг и Итай Янай. , 24 января 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06974-w
Помимо Пунтэйна и Янаи, в этом исследовании участвовали и другие исследователи из Нью-Йоркского университета в Лангоне: Пейен Цзян, Магдалена Подковик, Бо Шопсин и Виктор Торрес. В число соавторов исследования также входят Тянью Яо, Эхсан Хомаи, Ичао Гуан, Кевин Макдональд и Идо Голдинг из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Финансовая поддержка данного исследования была предоставлена Национальные институты здоровья предоставляет R21AI169350, R01AI143290, R01AI137336 и R36GM140709. Дополнительная финансовая поддержка поступила от Фонда Альфреда П. Слоана и стипендии для студентов-исследователей Ральфа О. Симмонса.