【原】即使染色体上没有必需基因，生物也不会灭绝——几亿年前就发现了只靠质粒维持核糖体RNA基因的细菌——

Wsz6868 2023-11-15 发布于浙江

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东京大学信息系统研究机构

国立遗传学研究所

理化研究所

发表要点

◆发现各种各样的细菌只在小型DNA分子质粒中含有生存所必需的核糖体RNA基因，该细菌的一部分几亿年来没有灭绝。

◆生物学上一直认为，为了将生存所必需的基因长期传递给子孙，必须在最大的DNA分子染色体上进行传递，但否定了这一定论。

◆在物质生产等工业应用和耐药菌的出现等中发挥重要作用的质粒的新基本性质的阐明，以及对稳定维持质粒的技术开发的贡献备受期待。

只在本研究发现的质粒中存在rRNA基因的细菌

发布概述

东京大学的按田瑞惠特任助教、山内骏研究生、科森蒂诺·萨尔瓦托雷特任助教、岩崎涉教授、理化学研究所的坂本央专职研究员、大熊盛也室长、高岛昌子机组组长(研究当时)、国立遗传学研究所的丰田敦特任教授的共同研究小组，是生活在多种环境下的2门注1 )发现，作为生物基本构成要素之一的蛋白质合成所需的核糖体RNA(rRNA )基因(注2 )只在质粒(注3 )中含有。另外，此次分析的细菌中，属于Persicobacteraceae科的细菌，明确了即使在从染色体(注4 )失去rRNA基因的状态下，数亿年间也没有灭绝。本研究的发现否定了生物学上的定论:“为了将生存所必需的基因长时间稳定地传递给子孙，必须在染色体上进行传递。” 今后，在物质生产等工业应用和耐药菌的出现等方面发挥重要作用的质粒的新基本性质的阐明，以及对稳定维持质粒的技术开发的贡献将备受期待。本研究成果于2023年11月14日刊登在英国科学杂志《Nature Communications》上。

发表内容

〈研究背景〉

细菌(细菌)是一种看不见的小微生物，除了主要的染色体外，还含有小质粒，作为传递遗传信息的DNA分子。质粒在物质生产等工业应用和耐药菌的出现等方面发挥重要作用，但与染色体相比，难以稳定地传递给子孙，原则上，生存所必需的基因存在于染色体上。特别是合成作为生物基本构成要素之一的蛋白质所必需的核糖体RNA(rRNA )基因，一直被用作区分染色体和质粒的定义的一部分，一直被认为一定存在于染色体上(图1 )。迄今为止的研究已经表明，属于假单胞菌门(旧称:蛋白质细菌门)的Aureimonas属的细菌在染色体上没有rRNA基因，这些现象是否仅限于特定的细菌？

图1 :细菌染色体、质粒和rRNA基因染色体被后代稳定地继承，但质粒有时会因分配失败等而不被后代继承。

〈研究内容〉
本研究从以无法分辨来自染色体的DNA序列和来自质粒的DNA序列的状态混合的基因组(注5 )数据中，新开发了用于发现rRNA基因存在于质粒中的细菌的信息处理方法，并开发了公共数据库( NCBI rered 关于这样发现的细菌，为了通过实验确认实际上rRNA基因是否只存在于质粒中，从理化学研究所生物资源研究中心微生物材料开发室( JCM )和产品评价技术基础机构生物技术中心( NBRC )等微生物保存机构(生物资源中心，注6 )的集合中培养得到的候补及其近亲的细菌，配以强力的DNA 结果表明，在细菌门、螺旋体门、假单胞菌门等多种环境中生存的细菌中，至少有4次各自独立地从染色体中丢失了rRNA基因(图2 )。此外，通过被称为分支年代推测的进化分析方法推测，Persicobacteraceae科的3属4种在染色体上全部没有rRNA基因，从4.9亿年前开始就拥有这样的基因组构成，但没有灭绝。

图2 :染色体丢失rRNA基因的四系细菌在4个系统中，推测Persicobacteraceae科的祖先在4.9-6.5亿年前从基因组中丢失了rRNA基因。存在rRNA基因的质粒拷贝数多种多样，共同具有质粒型复制起始蛋白Rep_3的基因。

接着，为了调查rRNA基因从染色体丢失的时期基因组发生了什么样的变化，用基因组进化模型推测了过去细菌的基因组上存在着什么样的基因。结果表明，只有编码称为Rep_3(注8 )的蛋白质的基因的获得，在rRNA基因从染色体上丢失的4次事件中是共同观察到的，具有不可估量的相关性。 Rep_3是开始质粒DNA复制所需的蛋白质，共同存在于rRNA基因所在的质粒上(图2 )。另一方面，在近亲的基因组中几乎没有发现编码Rep_3的基因。因此，对于染色体上rRNA基因丢失这一重大事件，关键在于从距离进化较远的生物物种中获得编码Rep_3的基因。此外，通过调查这些细菌中每细胞存在多少分子质粒(拷贝数)，推测随着rRNA基因从染色体中丢失，每细胞的rRNA基因量大幅增加。 rRNA基因是负责蛋白质合成根基的基因，已知其拷贝数的增加与共同负责蛋白质合成的转移RNA(tRNA )基因的增加、细胞增殖速度的增加相关。因此，对它们进行了详细调查后，观察到除了在蚂蚁肠内正在迅速缩小基因组的Oecophillibacter属以外，确实有这样的倾向。综上所述，我们给出了在染色体中失去rRNA基因的细菌中，长期会发生怎样的变化及其进化模型(图3 )。

图3 :染色体丢失rRNA基因前后细菌发生变化的模型图

〈今后的展望〉
本研究的成果否定了生物学迄今为止的定论，即为了将生存所必需的基因长时间稳定地传递给子孙，必须在染色体上进行传递。今后，作为我们生命设计图的基因组是按照什么样的规则构建的呢，关于基因组的教科书水平的理解需要进一步更新。另外，在发现更多染色体上不含rRNA基因的细菌的同时，通过进一步深入调查其性质，有望阐明这些细菌进化所需的条件和之后的基因组变化。从应用方面来看，质粒在物质生产等工业应用和耐药菌的出现等方面发挥着重要的作用，但在这样的局面下，质粒的性质的阐明和稳定维持质粒的技术开发将受到期待。

主讲人　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

东京大学研究生院新领域创建科学研究科岩崎涉(教授)〈兼务:研究生院理学系研究科教授〉按田瑞惠(特任助教) 科森蒂诺·萨尔瓦托雷(特任助教) 研究生理学系研究科山内骏(博士生) 理化研究所生物资源研究中心微生物材料开发室( JCM ) 大熊盛也(室长) 坂本光央(专职研究员) 高岛昌子(事业推进单元领导，研究当时) 国立遗传学研究所丰田敦(特任教授)

论文信息　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

〈杂志〉 Nature Communications 〈题名〉bacteria can maintain rrna operons solely on plasmids for hundreds of millions of years。〈作者〉 Mizue Anda*，Shun Yamanouchi，Salvatore Cosentino，Mitsuo Sakamoto，Moriya Ohkuma，Masako Takashima，Atsushi Toyoda，and 〈doi〉10.1038/s 41467-023-42681-w

〈URL〉https:///10.1038/s41467-023-42681-w

研究资助

本研究包括科研经费“特别研究员奖励费(课题编号: 18J00444 )”、“新学术领域研究(研究领域提案型)'学术研究支持基础形成’先进基因组分析研究推进平台(课题编号: 16H06279(PAGS ) )”、“新学术领域研究(研究领域提案型)” 在“学术变革领域研究(学术研究支援·基础形成)先进基因组分析·研究推进平台(课题编号: 22H04925(PAGS ) )”、科技振兴机构( JST )“战略性创造研究推进事业CREST (课题编号: JPMJCR19S2 )”的支持下实施

用语解说

(注1 )细菌(细菌) : 生物大致分为真核生物和原核生物，原核生物大致分为细菌(细菌)和细菌(古细菌)。细菌基本上是一种无形的单细胞微生物，广泛存在于环境中和生物体内等。 (注2 )核糖体RNA(rRNA )基因: 核糖体是构成所有生物蛋白质合成平台的大分子复合体，由RNA和蛋白质构成。其中RNA称为核糖体RNA(rRNA )，在蛋白质合成反应中起着主要作用。编码细菌rRNA的rRNA基因有16S、23S、5S三种，通常共同转录(称为rRNA操纵子)。 (注3 )质粒: 染色体以外的小DNA分子。通常是环状DNA，虽然增殖不一定需要，但大多承担着有助于适应特定环境的基因。 (注4 )染色体: 细菌大多在细胞内含有多个DNA分子，其中大小最大的DNA分子一般称为染色体。染色体保存着增殖等生命活动所需的基因，其复制和细胞分裂引起的分配受到严密调节。 (注5 )基因组: 指的是某个生物所拥有的整个DNA，或者其中所写的所有遗传信息。在细菌的情况下，基因组由染色体和质粒组成。根据上下文，染色体有时也称为基因组。 (注6 )微生物保藏机构(生物资源中心) : 收集、保存用于研究的实验微生物并提供给研究者，对于很多研究者来说是以微生物为对象进行研究不可缺少的机构。 (注7 )长引线测序仪: 能够一次确定长DNA序列的DNA测序技术。使用只能决定短DNA序列的DNA测序技术的情况下，有时特别是不能决定rRNA基因周边的序列，或者来自染色体的DNA序列和来自质粒的DNA序列混合在一起。使用长引线测序仪可以克服这些问题。 (注8 ) Rep_3: 开始质粒DNA复制所需的蛋白质。通常，编码Rep_3的质粒的复制起点存在称为茶氨酸的重复序列。