陈向东、杜世燊课题组发现枯草芽胞杆菌细胞间遗传转化中大规模

3月13日，武汉大学生命科学学院、病毒学国家重点实验室陈向东教授和杜世燊研究员在Nucleic Acids Research（《核酸研究》）上在线发表了题为《枯草芽孢杆菌的细胞间自然转化促进了大规模的基因组交换和DNA连续长片段的转移》（“Cell-to-cell natural transformation inBacillus subtilisfacilitates large scale of genomic exchanges and the transfer of long continuous DNA regions”）的研究论文，该研究报道了在枯草芽胞杆菌CTCNT通过增加转移事件的数量和促进大型连续基因组区域的转移来促进枯草芽胞杆菌的HGT,并指出了活细胞作为转化DNA的来源在自然环境中的潜力。生命科学学院博士生邓丽萍为第一作者，陈向东教授和杜世燊研究员为该论文共同通讯作者。

细菌通过水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）获取新的DNA，如果转移的DNA被保留在受体细胞中，则受体细胞的生理和活性可能会被转移的DNA中编码的基因显著改变。这一过程主要由接合、转导和转化介导，有助于细菌的基因组多样性，使其快速适应不断变化的环境条件并提供竞争优势，同时也促进了细菌病原体中致病性基因岛和抗生素抗性基因的传播，由此引起的抗菌素耐药性导致的公共卫生挑战被广泛关注。因此，了解HGT机制有助于解释细菌进化，对于控制病原体和抗生素耐药性也至关重要。

该课题组之前的研究发现了在枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis）中一种高频的细胞间基因转移的现象，有趣的是，这个过程要求受体菌建立感受态，但是几乎完全抵抗DNase的处理，并且似乎需要在供体和受体细胞之间紧密接近（close proximity），这种供体细胞和受体细胞之间存在协调过程的现象被称为细胞间自然转化（cell-to-cell natural transformation, CTCNT）。CTCNT采用活的供体细胞充当转化体系中的DNA来源，其转化频率相较于枯草芽胞杆菌的二步法转化或者外源游离DNA做为转化DNA来源的自然转化（DNA-to-cell natural transformation, DTCNT）具有明显优势，但是，目前尚不清楚CTCNT高转化频率背后的机制。

在本研究中，该课题组进一步量化比较了用游离DNA和活细胞作为DNA来源的转化效率，并通过遗传学试验确定了枯草芽胞杆菌自然转化效率与选择压力的关系，明确了CTCNT高效地促进多个远距离标记的共遗传及其规律。（图1）


图1 枯草芽胞杆菌CTCNT多个遗传标记的共转化（染色体转化）

为了确定CTCNT高效率的潜在机制，使用全基因组测序（whole genome sequencing，WGS）来确定CTCNT获得的转化子中转移的DNA片段的长度和重组事件的数量。通过比较单个筛选标记的选择压力下的CTCNT与DTCNT的转化片段，表明枯草芽胞杆菌CTCNT通过扩大DNA片段的转移和促进大型连续的基因组区域的交换来促进水平基因转移。在增加选择压力的情况下，发现枯草芽胞杆菌细胞间转化的重组菌可获得的最大连续DNA片段高达347 kb，此外，至少1.54 Mb的供体基因组DNA（37%的染色体）可以转移到一个受体细胞中（图2）。


图2 多个筛选标记下CTCNT转移的DNA片段（染色体转化）

该研究揭示了枯草芽胞杆菌CTCNT相较于DTCNT转化更高效的原因，结果表明自然转化可能在促进枯草芽胞杆菌的进化和适应中发挥重要作用。利用健康的活细胞作为转化DNA的来源进行其他天然感受态细菌的自然转化，有助于重新评估自然转化在HGT中的重要性。

武汉大学生命科学学院为上述报道研究中的第一署名和通讯单位。这项工作得到了国家自然科学基金面上项目的支持。

论文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkad138/7076482?searchresult=1