Science：“狡猾的”细菌利用可交换的防御基因对抗噬菌体攻击

细菌病毒，即所谓的噬菌体，会破坏细菌。细菌不断暴露在噬菌体的攻击之下。在一项新的研究中，奥地利维也纳大学微生物学家Martin Polz领导的一个研究团队如今研究了细菌如何抵御病毒捕食者，即噬菌体。该研究表明，细菌具有专门为防御噬菌体而设计的可交换的遗传因子，使细菌群体能够令人惊讶地迅速转换其先天免疫力。细菌如何以及如何快速产生对噬菌体的抵抗力的问题对于开发基于噬菌体的疗法来对付细菌感染具有至关重要的意义。相关研究结果发表在2021年10月22日的Science期刊上，论文标题为“Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages”。

细菌和噬菌体之间的掠夺性互动

噬菌体是利用细菌作为宿主细胞的病毒。在自我增殖的过程中，它们会破坏细菌细胞。被感染的细菌产生噬菌体，直到它们爆裂。作为细菌的捕食者，噬菌体极大地塑造了多样化的微生物群落，这些微生物群落在所有的环境中，对所有的生物体，也对人类健康起着重要的作用。此外，由于抗生素的耐药性越来越强，噬菌体被认为是治疗细菌感染时抗生素的一种有希望的替代选择。

Polz说，“实际上，人们在早期就使用噬菌体来对抗细菌。然而，它们后来被抗生素所取代，因为人们对噬菌体和细菌之间的相互作用仍然知之甚少。”大约一年前，Polz从美国剑桥的麻省理工学院搬到了维也纳大学。他和他在麻省理工学院的团队发起的一个研究项目，找到了这种互动的根源。

发现可移动防御基因的快速交换

在这项新的研究中，这些作者详细研究了细菌如何防御噬菌体。Polz解释说，“每个细菌细胞都有一套防御基因，使其能够消除某些噬菌体。我们的研究表明，这些防御基因在细菌细胞之间的交换非常迅速。这是可能的，因为它们被整合到了所谓的可移动遗传因子中，这些遗传因子本身可以控制它们是否以及何时从一个细胞转移到另一个细胞。”

对噬菌体的防御塑造了细菌的进化

每个细菌不仅拥有与它所属的物种的所有其他细菌共享的核心基因组，而且还包含可移动遗传因子。这种可移动、可交换的基因组在不同的细菌之间可能有所不同，但它的总体功能仍然不为人所知。这项新的研究表明，它主要为一个目的服务：噬菌体防御。相应地，与噬菌体的斗争塑造了基因组的交换，从而塑造了细菌的进化。以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek教授（没有参与这项研究）对这些研究结果发表了评论，“这些发现使人们注意到了噬菌体防御在微生物世界中的重要性。”Sorek对噬菌体和细菌的互动进行了重要的研究。他说，通过对这些防御岛（defense island）的精确分析，这些作者已经解决了一个过去十年来一直困扰着人们的难题。

噬菌体，图片来自Birkbeck/Modeling。

海洋弧菌的先天防御机制的进化分析

这项新的研究分析了细菌基因组的先天防御机制。论文第一作者Fatima Aysha Hussain解释道，“我们的结果强调，这种先天免疫主要负责对噬菌体的防御。基于实验室实验，之前人们认为细菌主要通过修改位于其表面的受体来防御噬菌体。”在三个月里，这些作者每天在新英格兰海岸收集水样，以探索弧菌和那些在其实际栖息地与它们相互作用的噬菌体之间的相互作用。利用基因组和遗传分析，他们观察到极其迅速的进化变化：在93天的研究中，弧菌通过可移动遗传因子的交换形成了特定的抵抗力。Polz解释说，“这些变化发生在几代之后。这意味着细菌能够在野外的几周到几个月内产生对某些噬菌体的抵抗力。”

对设计基于噬菌体的疗法的重要意义

噬菌体和细菌的相互作用极具特异性。因此，噬菌体的攻击只对单个细菌而不会对整个细菌物种成功。Polz解释说，这项新的研究证实了为什么会出现这种情况：“这些防御基因非常多样化，而且交换非常迅速，因此群体中总是有大量的抗性个体。”这些研究结果不仅提供了关于微生物群落如何运作的基本知识，它们还指出了利用噬菌体打击细菌：“在开发噬菌体疗法时必须考虑到耐药性的快速获得，这是因为与我们研究的那些类似的可移动遗传因子也是抗生素抗药性快速产生的原因。”

参考资料：
Fatima Aysha Hussain et al. Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages. Science, 2021, doi:10.1126/science.abb1083.