Microbiologie in hapklare porties
Bacteriën maken radslagen in DNA om te overleven
De meeste organismen hebben een arsenaal aan middelen om hun overlevingskansen te vergroten – een van die middelen is het veranderen van hun DNA en het verkrijgen van nieuwe eigenschappen. Er zijn talloze manieren waarop DNA kan veranderen, zoals mutaties, invoegingen, verwijderingen – de lijst kan eindeloos doorgaan. Maar eencellige organismen, zoals bacteriën, kunnen iets wat de meeste andere organismen niet kunnen: genetische inversies. De inversies zijn een soort genetische radslagen, waarbij delen van het DNA uit het genoom worden geknipt en dan achterstevoren weer worden ingebracht.
DNA-inversies kunnen de genexpressie en -functie veranderen en er is aangetoond dat ze bacteriën helpen om immuunsystemen van gastheren te ontwijken. Eerdere studies vonden alleen inversies buiten genen, in delen van het DNA die niet coderen voor eiwitten (zoals promotors). Inversies in dit deel van het DNA kunnen helpen de genexpressie te beïnvloeden, maar ze veranderen niet direct de functie van een gen. Maar nu heeft een nieuwe studie ontdekt dat bacteriën ook inversies in genen hebben, die hun functie volledig kunnen veranderen.
Inversies zijn wanneer een segment DNA wordt verwijderd en achterwaarts wordt ingevoegd. Fotocredit: gemaakt door auteur met behulp van Biorender.com.
Om naar inversies te zoeken, onderzochten onderzoekers sequentiegegevens van menselijke ontlastingmonsters. Deze sequencinggegevens bevatten geninformatie van al het DNA dat in de ontlasting wordt gevonden, inclusief DNA van bacteriën, virussen en menselijke cellen. Ze keken specifiek naar de ontlasting van mensen die een beenmergtransplantatie hadden ondergaan, omdat ze veronderstelden dat bacteriën die in deze patiënten leven te maken zouden hebben gehad met veel stressfactoren zoals chemotherapie en antibiotica die bacteriën in gezonde patiënten niet zouden hebben gehad – en stressfactoren bevorderen mutaties.
De onderzoekers gebruikten eerst een meer traditionele methode om inversies te vinden, PhaseFinder genaamd, die korte stukjes DNA analyseert om te zoeken naar omgedraaide DNA-segmenten. Ze keken naar DNA-sequenties van een promotor van een gen waarvan bekend is dat het invers is van een type bacterie dat veel voorkomt in de menselijke darm. Ze zagen omgedraaide promotors en ontdekten dat omkeringen vaker voorkwamen in bacteriën die van nature in de menselijke darm voorkomen dan in de in het laboratorium gekweekte stam. Bij het bekijken van de promotors zagen de onderzoekers ook inversies van korte DNA-sequenties in het gen dat de promotor aanstuurde, wat het eerste bewijs is van inversies binnen een gen.
In sommige gevallen introduceerden de omkeringen een vroeg stopcodon, waardoor het volledige eiwit niet gemaakt kon worden en er mogelijk twee eiwitten in plaats van één ontstaan. In andere gevallen zouden ze de werking van het eiwit kunnen beïnvloeden, maar de onderzoekers waarschuwden dat de eiwitten eerst getest zouden moeten worden voordat er conclusies getrokken konden worden.
De onderzoekers wisten dat PhaseFinder enkele beperkingen heeft: herhalende DNA-gebieden zijn moeilijk nauwkeurig in kaart te brengen met korte DNA-sequenties en kunnen ertoe leiden dat omgedraaide DNA-gebieden worden gemist. Om dit probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een hulpmiddel genaamd PhaVa. Het hulpmiddel gebruikt lange DNA-lezingen en brengt deze in kaart met een bekende genoomsequentie in zowel de reguliere als de omgedraaide positie. Als een segment beter overeenkomt met de omgedraaide positie, dan heeft er op die locatie een inversie plaatsgevonden.
Ze testten het nieuwe hulpmiddel op long-read datasets van bacteriën in een sequencing database. Ze vonden voorbeelden van inversies die zowel buiten als binnen genen plaatsvonden in een verscheidenheid aan bacteriële soorten, waaruit blijkt dat veel prokaryoten te maken hebben met DNA-flipping. Toen PhaVa werd gebruikt om het DNA van de ontlastingmonsters te analyseren, zagen ze een nog hoger percentage DNA-omkeringen, wat aantoont dat bacteriën in omgevingen met hogere stress een grotere kans hebben om inversies te ondergaan. De omkeringen leken ook niet willekeurig. Inversies in genen die verantwoordelijk zijn voor DNA-binding en DNA- en RNA-modificaties hadden de meeste kans op omgedraaide DNA-segmenten.
Er wordt voorspeld dat 169 van de 372 omkeringen de eiwitfunctie zouden beïnvloeden. Van eiwitten die betrokken zijn bij celdeling, reacties op omgevingsstimuli en genexpressie werd verwacht dat ze allemaal andere functies zouden hebben met een inversie en dat ze het aantal eiwitten dat een bacterie kan maken zouden uitbreiden zonder dat hun genoom groter wordt.
De onderzoekers zagen ook dat inversies in delen van het DNA die niet coderen voor eiwitten over het algemeen hetzelfde waren in een bacteriële populatie: het DNA was geïnverteerd of niet. Maar inversies in de coderende regio van een gen waren verschillend, binnen dezelfde bacteriële populatie hadden sommige inversies in een regio van een gen en andere niet.
Deze studie geeft inzicht in een mechanisme dat bacteriën kunnen gebruiken om hun overlevingskansen en diversiteit in hun genetische repertoire te vergroten. Maar hoe de omkeringen gebeuren? Dat is een mysterie dat toekomstige onderzoekers moeten oplossen.
Link to the original post: Chanin, R.B., West, P.T., Wirbel, J. et al. Intragenic DNA inversions expand bacterial coding capacity. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07970-4
Featured image: Image made by the author with Canva.com
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 