研究揭示微生物中一類轉座元件的獨特移碼機制

基因組中的轉座元件是自然界中廣泛存在的位置可變DNA序列，在基因組的穩定性、遺傳變異和生物進化方面具有重要作用。細菌基因組中的插入序列(Insertion sequence，IS)是一種廣泛存在的轉座元件，根據其序列和作用的不同機制可以分成多個家族（已知有29個家族的插入序列），其中IS3是分布最為廣泛的家族之一。目前，對插入序列作用機制的認知主要來自於對嗜中溫微生物的研究，但是基因組表明嗜熱微生物也包含有大量的插入序列，其轉座機制尚未得到深入研究。嗜熱微生物由於包含獨特和高熱穩定的酶類，具有特殊的研究和工業應用價值，在生物煉製中具有重要的作用。例如，熱纖梭菌這一典型嗜熱微生物，在木質纖維素工業生物煉製中極具應用前景。基於此，中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組針對熱纖梭菌等非模式微生物，前期開發了高效遺傳操作平台，包括基於嗜熱二類內含子的定向基因敲除工具和基於同源重組的無疤基因組編輯工具，並利用這些工具系統研究了熱纖梭菌及其纖維小體對木質纖維素的高效降解機制。

在對熱纖梭菌的基因組編輯工具開發的過程中，研究人員使用了腺苷激酶（Tdk）作為反篩標記，發現該反篩標記經常被一個非常活躍的IS3家族插入序列IS1447所失活。該研究組副研究員劉亞君等人對該插入序列進行了深入研究，通過基因組搜索和進化關係分析，發現IS1447類似的插入序列廣泛存在於厚壁菌門的細菌中，在IS3家族的插入序列中具有非常獨特的特徵，代表了IS3家族中一個新的亞組。IS1447亞組通過+1位的轉錄滑移實現有功能的全長轉座酶的合成，這是一種與已知的IS3家族所具有的核糖體-1位翻譯水平移碼完全不同的移碼方式，且這一轉錄滑移只需要連續的7個腺嘌呤核苷酸（A）即可實現，這也不同於目前公認的至少8個連續的A或T才能實現轉錄滑移機制。此外，多個纖維素降解菌的基因組中都含有數目非常多的IS1447亞組插入序列。上述研究表明IS1447代表了富含於厚壁菌門中的新的IS3亞組插入序列，豐富了人們對嗜熱轉座元件的認識，同時也為開發在嗜熱微生物使用的基於插入序列的突變工具提供了基礎。

上述工作最近發表在Biotechnology for Biofuels上，由青島能源所研究員馮銀剛和崔球指導完成，劉亞君為論文的第一作者，該研究得到科技部、國家自然科學基金委、山東省和中科院項目的支持。

論文信息：Liu Y-J, Qi K, Zhang J, Chen C, Cui Q, Feng Y.Firmicutes-enriched IS1447 represents a group of IS3-family insertion sequences exhibiting unique +?1 transcriptional slippage. Biotechnology for Biofuels.2018;11:300.

圖：來源於熱纖梭菌的IS1447序列及其轉錄滑移位點分析。IS1447可表達三種轉座酶OrfA、OrfB及OrfAB，其中OrfAB為有功能的全長轉座酶。紫色表示反向重複序列，綠色及紅色分別表示轉座酶翻譯起始及終止位點，黃亮表示移碼區域。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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