En ny studie, ledd av Qingyun Liu, Ph.D., biträdande professor vid institutionen för genetik, har avslöjat en genetisk egenskap som kallas "transkriptionell plasticitet", som spelar en avgörande roll för att styra transkriptionssvaret av mykobakterier på stressande tillstånd.
Bakterieceller måste snabbt modulera uttrycket av sina gener för att klara av plötsliga förändringar i den yttre miljön. Men i vilken utsträckning vissa gener kan förändra sitt uttryck som svar på miljöförändringar, i motsats till att upprätthålla stabila uttrycksnivåer, har länge förbryllat forskare. Att förstå hur bakterier reglerar dessa olika transkriptionsprocesser och de genetiska egenskaper som ligger bakom dem har förblivit en utmaning.
I ett samarbete med forskare från UNC-Chapel Hill, Harvard och Fudan University, satte huvudforskaren Qingyun Liu, Ph.D., för att reda ut de komplexa faktorerna som styr transkriptionssvaret i Mycobacterium tuberculosis (Mtb), den bakteriella patogenen som är ansvarig för tuberkulos, som fortfarande är den vanligaste dödsorsaken på grund av ett enda smittämne, med mer än 10,6 miljoner nya fall och 1,6 miljoner dödsfall varje år.
Deras studie, med titeln "Genetiskt kodad transkriptionell plasticitet ligger till grund för stressadaptation i Mycobacterium tuberculosis", publicerades i tidskriften Nature Communications .
Forskarna analyserade en omfattande datauppsättning bestående av 894 RNA-Seq-prover härledda från 73 distinkta förhållanden, som genererades i tidigare studier och kurerades av forskarna för metaanalysändamål.
Forskarna förhörde transkriptionell plasticitet (TP) för varje gen av Mtb, som tjänade som en proxy för variabiliteten av genuttryck som svar på miljöförändringar. Deras analys avslöjade betydande TP-variation bland Mtb-gener, som korrelerar med genfunktion och väsentlighet. Dessutom upptäckte de att kritiska genetiska egenskaper, såsom genlängd, GC-innehåll och operonstorlek, oberoende av varandra sätter begränsningar på TP, som sträcker sig bortom trans-reglering.
Till exempel uppvisade gener med kortare längder generellt högre TP jämfört med de med längre längder. Dessutom koncentrerades gener med de lägsta TP-profilerna i en grupp med GC-innehåll som ligger nära den genomsnittliga nivån i hela genomet (65%).
Liu sa:"Dessa egenskaper, som tidigare inte var kopplade till transkriptionsreglering i mykobakterier, är nu erkända som faktorer som Mtb har utvecklat för att forma sina geners TP."
Genom att utnyttja de genetiska egenskaper som identifierats som bidragande till TP, kunde forskarna delvis förutsäga TP-nivåerna av Mtb-gener med hjälp av en maskininlärningsmodell. Liu påpekade dock att även om denna modell visar lovande, är den ännu inte perfekt för att förutsäga TP-nivåer. Detta tyder på att det fortfarande kan finnas oidentifierade faktorer som påverkar TP som kräver ytterligare utredning.
Genom att utöka sin analys till att omfatta två andra Mycobacteria-arter, nämligen M. smegmatis och M. abscessus, visade forskarna ett slående bevarande av TP-landskapet över olika arter av Mycobacteria, vilket antyder en evolutionär betydelse av TP som en konserverad adaptiv strategi bland mykobakterier.
Forskarna betonade att TP nu kan fungera som ett användbart komplement till genessensitet och sårbarhet för att förstå bakteriella fysiologiska processer. Denna information kan hjälpa till att prioritera genkandidater som kan riktas mot läkemedelsändamål eller mekanistisk dissektion.
Dessutom visade forskarna att TP kan fungera som en benchmarkfaktor för framtida transkriptionsstudier, vilket hjälper till att identifiera differentiellt uttryckta gener. Detta understryker de bredare implikationerna av TP för att främja vår förståelse av bakteriell genreglering och anpassningsmekanismer.
Mer information: Cheng Bei et al, Genetiskt kodad transkriptionell plasticitet ligger till grund för stressanpassning i Mycobacterium tuberculosis, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47410-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of North Carolina vid Chapel Hill School of Medicine
