I trasposoni, o “geni saltanti” – segmenti di DNA che possono spostarsi da una parte del genoma all’altra – sono la chiave per l’evoluzione batterica e lo sviluppo della resistenza agli antibiotici.
I ricercatori della Cornell University hanno scoperto un nuovo meccanismo che questi geni usano per sopravvivere e propagare nei batteri con DNA lineare, con applicazioni in biotecnologia e sviluppo di farmaci.
I ricercatori mostrano che i trasposoni possono colpire e inserirsi alle estremità dei cromosomi lineari, chiamati telomeri, all’interno del loro ospite batterico. In Streptomyces – storicamente uno dei batteri più significativi per lo sviluppo degli antibiotici – hanno scoperto che i trasposoni controllavano i telomeri in quasi un terzo dei cromosomi.
“Questa è una parte importante della loro biologia”, ha dichiarato l’autore senior Joseph Peters, professore di microbiologia. “I batteri sono come questi piccoli armeggiatori. Raccolgono sempre questi pezzi di DNA mobili e stanno sempre facendo nuove funzioni: tutto nella resistenza agli antibiotici riguarda davvero gli elementi genetici mobili e quasi sempre trasposoni che possono spostarsi tra i batteri.”
Con alcune tecnologie non disponibili nemmeno cinque anni fa, i ricercatori hanno identificato diverse famiglie di trasposoni nei cianobatteri e Streptomyces che, usando diversi meccanismi, possono trovarsi e inserirsi sul telomero, con benefici per il trasposone e il loro ospite batterico. Per uno, l’inserimento alla fine del cromosoma aiuta il trasposone a evitare i geni per il funzionamento del nucleo della cellula, che risiede nel mezzo dei cromosomi; I trasposoni che possono colpire le estremità hanno meno probabilità di interrompere una funzione essenziale o causare la morte cellulare.
“Se potessi prendere di mira la fine, hai meno probabilità di eliminare qualcosa che l’ospite desidera, e quindi queste estremità, per vari sistemi, vengono trasferite tra le celle”, ha detto Peters. “Affinché qualsiasi elemento sopravviva – un trasposone, batteri – hanno davvero bisogno di essere in grado di fare queste due cose: non devono causare troppi danni e hanno bisogno di un modo per passare a nuovi padroni di casa. Inserendo nei telomeri, sono in grado di fare entrambe le cose.”
I trasposoni sono stati trovati raggruppati alle estremità cromosomiche nelle cellule eucariotiche, ma questa è la prima volta che è stata documentata nei batteri con cromosomi lineari e i ricercatori hanno scoperto che i trasposoni batterici (contro eucarioti) usano meccanismi unici per controllare i telomeri.
I trasposoni sono generalmente affiancati da sequenze leganti le proteine che indicano dove accompagnare l’elemento DNA e spostarlo in una nuova posizione. In Streptomyces, i ricercatori hanno osservato che i trasposoni ai telomeri erano unilaterali, con una tradizionale sequenza di trasposoni da un’estremità con l’altra estremità il telomero. Ciò consente al trasposone di essere il telomero, rendendolo essenziale per la cellula in generale.
“Quello che permette loro è diventare essenziale per l’ospite, perché ora controllano il telomero e se l’elemento veniva eliminato insieme a questo sistema, l’host sarebbe morto”, ha detto Peters.
I ricercatori hanno trovato una sottofamiglia di trasposoni di targeting di telomere che hanno collaborato a un sistema CRISPR-normalmente utilizzato dai batteri per difendersi dai virus-per colpire e inserirsi nelle estremità del cromosoma. Questo processo è un’ulteriore conferma delle ricerche precedenti nel laboratorio di Peters che hanno trovato trasposoni che utilizzano sistemi CRISPR per muoversi nei genomi, aprendo il potenziale per un nuovo strumento di modifica genica che consentirebbe l’inserimento di sezioni più grandi di DNA rispetto al CRISPR-Cas9 ora ampiamente utilizzato.
“I trasposoni continuano a afferrare questi sistemi e a coopticarli in modi diversi”, ha detto Peters. “In questo documento, abbiamo spiegato uno di uno di questi elementi usando un sistema CRISPR-CAS per colpire i telomeri.”
Le intuizioni – specialmente in Streptomyces, che è difficile da manipolare in laboratorio e spiega la scoperta di molti dei nostri antibiotici – potrebbero rivelarsi utili per lo sviluppo di farmaci, poiché i trasposoni guidano l’evoluzione batterica e possono indirizzare i ricercatori a nuovi antibiotici e altri prodotti utili codificati su questi transposoni.
“La maggior parte della vita sul pianeta è microbi e in particolare batteri”, ha detto Peters. “Vogliamo capire come funzionano questi organismi viventi, ma poi vogliamo vedere come possiamo usare questi sistemi per il miglioramento dell’umanità.”
I coautori includono ricercatori post-dottorato Shan-Chi (Popo) Hsieh e Michael T. Petassi; Studente di dottorato Richard Schargel; e partner dell’Università di Ginevra, Orsolya Barabas e Máté Fülöp.
La ricerca è stata sostenuta con finanziamenti del National Institutes of Health e del Consiglio di ricerca europei.
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