Forskere afslører et skjult træk i Mycobacterium-genomerne, der styrer stresstilpasning

En ny undersøgelse, ledet af Qingyun Liu, Ph.D., assisterende professor i Institut for Genetik, har afsløret en genetisk egenskab kendt som "transkriptionel plasticitet", som spiller en central rolle i styringen af ​​mykobakteriers transkriptionelle reaktion på stressende forhold.

Bakterieceller skal hurtigt modulere ekspressionen af ​​deres gener for at klare pludselige ændringer i det ydre miljø. Det omfang, i hvilket visse gener kan ændre deres ekspression som reaktion på miljøændringer, i modsætning til at opretholde stabile ekspressionsniveauer, har længe undret videnskabsmænd. At forstå, hvordan bakterier regulerer disse forskellige transkriptionsprocesser og de genetiske egenskaber, der ligger til grund for dem, har været en udfordring.

I et samarbejde med forskere fra UNC-Chapel Hill, Harvard og Fudan University, satte hovedforsker Qingyun Liu, Ph.D., sig for at opklare de komplekse faktorer, der styrer transkriptionsresponsen i Mycobacterium tuberculosis (Mtb), det bakterielle patogen, der er ansvarlig for tuberkulose, som fortsat er den største dødsårsag på grund af et enkelt smitsomt agens, med mere end 10,6 millioner nye tilfælde og 1,6 millioner dødsfald hvert år.

Deres undersøgelse, med titlen "Genetisk kodet transkriptionel plasticitet ligger til grund for stresstilpasning i Mycobacterium tuberculosis," blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Forskerne analyserede et omfattende datasæt bestående af 894 RNA-Seq-prøver afledt af 73 forskellige forhold, som blev genereret i tidligere undersøgelser og kurateret af forskerne til metaanalyseformål.

Forskerne undersøgte transkriptionel plasticitet (TP) af hvert gen af ​​Mtb, der tjente som en proxy for variabiliteten af ​​genekspression som reaktion på miljøændringer. Deres analyse afslørede betydelig TP-variation blandt Mtb-gener, der korrelerer med genfunktion og væsentlighed. Desuden opdagede de, at kritiske genetiske egenskaber, såsom genlængde, GC-indhold og operonstørrelse, uafhængigt pålægger TP begrænsninger, der strækker sig ud over trans-regulering.

For eksempel udviste gener med kortere længder generelt højere TP sammenlignet med dem med længere længder. Derudover blev gener med de laveste TP-profiler koncentreret i en gruppe med GC-indhold, der passede tæt sammen med det gennemsnitlige niveau for genomet (65%).

Liu sagde:"Disse funktioner, som tidligere ikke var forbundet med transkriptionel regulering i mykobakterier, er nu anerkendt som faktorer, som Mtb har udviklet til at forme sine geners TP."

Ved at udnytte de genetiske egenskaber, der er identificeret som bidragende til TP, var forskerne i stand til delvist at forudsige TP-niveauerne af Mtb-gener ved hjælp af en maskinlæringsmodel. Liu påpegede dog, at selvom denne model viser lovende, er den endnu ikke perfekt til at forudsige TP-niveauer. Dette tyder på, at der stadig kan være uidentificerede faktorer, der påvirker TP, som berettiger yderligere undersøgelse.

Ved at udvide deres analyse til at omfatte to andre Mycobacteria-arter, nemlig M. smegmatis og M. abscessus, viste forskerne en slående bevarelse af TP-landskabet på tværs af forskellige arter af Mycobacteria, hvilket antyder en evolutionær betydning af TP som en konserveret adaptiv strategi blandt mykobakterier.

Forskerne understregede, at TP nu kan tjene som et nyttigt supplement til genessensitet og sårbarhed til at forstå bakterielle fysiologiske processer. Disse oplysninger kan hjælpe med at prioritere genkandidater, der kan målrettes til lægemiddelformål eller mekanistisk dissektion.

Ydermere viste forskerne, at TP kan fungere som en benchmarkfaktor for fremtidige transkriptionsstudier, der hjælper med at identificere differentielt udtrykte gener. Dette understreger de bredere implikationer af TP med hensyn til at fremme vores forståelse af bakteriel genregulering og tilpasningsmekanismer.

Flere oplysninger: Cheng Bei et al., Genetisk kodet transkriptionel plasticitet ligger til grund for stresstilpasning i Mycobacterium tuberculosis, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47410-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of North Carolina ved Chapel Hill School of Medicine