טרנספוזונים, או "גנים קופצים" – מקטעי DNA שיכולים לעבור מחלק אחד של הגנום למשנהו – הם המפתח להתפתחות החיידקים ולהתפתחות עמידות לאנטיביוטיקה.
חוקרי אוניברסיטת קורנל גילו מנגנון חדש שמשמשים גנים אלה כדי לשרוד ולהתפשט בחיידקים עם DNA ליניארי, עם יישומים בביוטכנולוגיה ופיתוח תרופות.
במאמר הנמצאת באמברגו במדע עד השעה 14:00 ET ב- 6 במרץ 2025, החוקרים מראים כי טרנספוזונים יכולים לכוון ולהכניס את עצמם לקצוות הכרומוזומים הליניאריים, המכונים טלומרים, בתוך המארח החיידקי שלהם. ב- Streptomyces – היסטורית אחד החיידקים המשמעותיים ביותר להתפתחות אנטיביוטית – הם גילו כי טרנספוזונים שלטו בטלומרים בכמעט שליש מהכרומוזומים.
זהו חלק גדול מהביולוגיה שלהם. חיידקים הם כמו התנערים הקטנים האלה. הם תמיד אוספים את קטעי ה- DNA הניידים האלה, והם יוצרים פונקציות חדשות כל הזמן – כל דבר בעמידות לאנטיביוטיקה הוא באמת על אלמנטים גנטיים ניידים וכמעט תמיד טרנספוזונים שיכולים לנוע בין חיידקים. "
ג'וזף פיטרס, סופר בכיר, פרופסור למיקרוביולוגיה, אוניברסיטת קורנל
עם חלק מהטכנולוגיות שאינן זמינות אפילו לפני חמש שנים, החוקרים זיהו כמה משפחות של טרנספוזונים בסיאנובקטריה וסטרפטומיות, אשר באמצעות מנגנונים שונים יכולים למצוא ולהכניס את עצמם לטלומר, עם יתרונות עבור הטרנספוזון והמארח החיידקי שלהם. ראשית, הכנסת בסוף הכרומוזום מסייעת לטרנספוזון להימנע מגנים לתפקוד הליבה של התא, השוכנים באמצע הכרומוזומים; טרנספוזונים שיכולים למקד לקצוות נוטים פחות לשבש פונקציה חיונית או לגרום למוות של תאים.
"אם אתה יכול למקד את הסוף, סביר להניח שאתה מפיל משהו שהמארח רוצה, ואז מסתיים אלה, על ידי מערכות שונות, מועברים בין תאים", אמר פיטרס. "כדי שכל מרכיב ישרוד – טרנספוזון, חיידקים – הם באמת צריכים להיות מסוגלים לעשות את שני הדברים האלה: הם צריכים לא לגרום לנזק רב מדי, והם צריכים דרך לעבור למארחים חדשים. על ידי הכנסת הטלומרים, הם מסוגלים לעשות את שניהם."
טרנספוזונים נמצאו מקובצים בקצוות הכרומוזום בתאים אוקריוטיים, אך זו הפעם הראשונה שהיא תועדה בחיידקים עם כרומוזומים ליניאריים, והחוקרים מצאו כי טרנספוזונים חיידקיים (לעומת אוקריוטות) משתמשים במנגנונים ייחודיים לשליטה על הטלומרים.
טרנספוזונים בדרך כלל משולבים על ידי רצפים מחייבים חלבון המציין היכן לבלוט את אלמנט ה- DNA ולהעביר אותו למיקום חדש. ב- Streptomyces, החוקרים ציינו כי הטרנספוזונים בטלומרים היו חד צדדיים, כאשר רצף טרנספוזון מסורתי בקצה אחד כאשר הקצה השני הוא הטלומר. פונקציונלי זה מאפשר לטרנספוזון להיות הטלומר, מה שהופך אותו חיוני לתא באופן כללי.
"מה שזה מאפשר להם לעשות זה להיות חיוני למארח, מכיוון שהם כעת שולטים בטלומר, ואם האלמנט יימחק יחד עם המערכת הזו, המארח היה מת," אמר פיטרס.
החוקרים מצאו תת-משפחתית אחת של טרנספוזונים ממוקדים טלומרים שקיבלו מערכת CRISPR-בדרך כלל בשימוש על ידי חיידקים כדי להתגונן מפני וירוסים-כדי למקד ולהכניס את עצמו לקצוות הכרומוזום. תהליך זה הוא אישור נוסף למחקר הקודם במעבדת פיטרס שמצאו טרנספוזונים המשתמשים במערכות CRISPR כדי לנוע בגנום, ופתחו את הפוטנציאל לכלי עריכת גנים חדש שיאפשר להכניס קטעים גדולים יותר של DNA מאשר ה- CRISPR-CAS9 הנפוץ כיום.
"הטרנספוזונים ממשיכים לתפוס את המערכות הללו ולשיתוף פעולה בדרכים שונות", אמר פיטרס. "במאמר זה הסברנו אחד חדש מהאלמנטים הללו באמצעות מערכת CRISPR-CAS כדי למקד לטלומרים."
התובנות – במיוחד בסטרפטומיקס, שקשה לתפעל במעבדה ומגיעות לגילוי רבים מהאנטיביוטיקה שלנו – עשויות להועיל לפיתוח תרופות, שכן טרנספוזונים מניעים התפתחות חיידקים ועשויות להפנות את החוקרים לאנטיביוטיקה חדשה ומוצרים שימושיים אחרים המקודדים טרנספוזונים אלה.
"רוב החיים בכוכב הלכת הם חיידקים, ובאופן ספציפי חיידקים", אמר פיטרס. "אנו רוצים להבין כיצד אורגניזמים חיים אלה מתפקדים, אבל אז אנו רוצים לראות כיצד אנו יכולים להשתמש במערכות אלה כדי לשיפור המין האנושי."
מחברים משותפים כוללים את חוקרי הפוסט-דוקטורט שאן-צ'י (POPO) הסי ומייקל ט. פטאסי; דוקטורט ריצ'רד שרגל; ושותפים באוניברסיטת ז'נבה, אורסוליה ברבאס ומטה פולופ.
המחקר נתמך במימון של המוסדות הלאומיים לבריאות ומועצת המחקר האירופית.
