揭示細菌利用可交換的防御基因對抗噬菌體攻擊

　　細菌病毒，即所謂的噬菌體，會破壞細菌。細菌不斷暴露在噬菌體的攻擊之下。在一項新的研究中，奧地利維也納大學微生物學家Martin Polz領導的一個研究團隊如今研究了細菌如何抵御病毒捕食者，即噬菌體。該研究表明，細菌具有專門為防御噬菌體而設計的可交換的遺傳因子，使細菌群體能夠令人驚訝地迅速轉換其先天免疫力。細菌如何以及如何快速產生對噬菌體的抵抗力的問題對于開發基于噬菌體的療法來對付細菌感染具有至關重要的意義。相關研究結果發表在2021年10月22日的Science期刊上，論文標題為“Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages”。

　　細菌和噬菌體之間的掠奪性互動

　　噬菌體是利用細菌作為宿主細胞的病毒。在自我增殖的過程中，它們會破壞細菌細胞。被感染的細菌產生噬菌體，直到它們爆裂。作為細菌的捕食者，噬菌體極大地塑造了多樣化的微生物群落，這些微生物群落在所有的環境中，對所有的生物體，也對人類健康起著重要的作用。此外，由于抗生素的耐藥性越來越強，噬菌體被認為是治療細菌感染時抗生素的一種有希望的替代選擇。

　　Polz說，“實際上，人們在早期就使用噬菌體來對抗細菌。然而，它們后來被抗生素所取代，因為人們對噬菌體和細菌之間的相互作用仍然知之甚少?！贝蠹s一年前，Polz從美國劍橋的麻省理工學院搬到了維也納大學。他和他在麻省理工學院的團隊發起的一個研究項目，找到了這種互動的根源。

　　發現可移動防御基因的快速交換

　　在這項新的研究中，這些作者詳細研究了細菌如何防御噬菌體。Polz解釋說，“每個細菌細胞都有一套防御基因，使其能夠消除某些噬菌體。我們的研究表明，這些防御基因在細菌細胞之間的交換非常迅速。這是可能的，因為它們被整合到了所謂的可移動遺傳因子中，這些遺傳因子本身可以控制它們是否以及何時從一個細胞轉移到另一個細胞。”

　　對噬菌體的防御塑造了細菌的進化

　　每個細菌不僅擁有與它所屬的物種的所有其他細菌共享的核心基因組，而且還包含可移動遺傳因子。這種可移動、可交換的基因組在不同的細菌之間可能有所不同，但它的總體功能仍然不為人所知。這項新的研究表明，它主要為一個目的服務：噬菌體防御。相應地，與噬菌體的斗爭塑造了基因組的交換，從而塑造了細菌的進化。以色列魏茨曼科學研究所的Rotem Sorek教授（沒有參與這項研究）對這些研究結果發表了評論，“這些發現使人們注意到了噬菌體防御在微生物世界中的重要性?！盨orek對噬菌體和細菌的互動進行了重要的研究。他說，通過對這些防御島（defense island）的精確分析，這些作者已經解決了一個過去十年來一直困擾著人們的難題。

　　海洋弧菌的先天防御機制的進化分析

　　這項新的研究分析了細菌基因組的先天防御機制。論文**作者Fatima Aysha Hussain解釋道，“我們的結果強調，這種先天免疫主要負責對噬菌體的防御?；趯嶒炇覍嶒?，之前人們認為細菌主要通過修改位于其表面的受體來防御噬菌體?！痹谌齻€月里，這些作者每天在新英格蘭海岸收集水樣，以探索弧菌和那些在其實際棲息地與它們相互作用的噬菌體之間的相互作用。利用基因組和遺傳分析，他們觀察到極其迅速的進化變化：在93天的研究中，弧菌通過可移動遺傳因子的交換形成了特定的抵抗力。Polz解釋說，“這些變化發生在幾代之后。這意味著細菌能夠在野外的幾周到幾個月內產生對某些噬菌體的抵抗力?！?/p>

　　對設計基于噬菌體的療法的重要意義

　　噬菌體和細菌的相互作用**特異性。因此，噬菌體的攻擊只對單個細菌而不會對整個細菌物種成功。Polz解釋說，這項新的研究證實了為什么會出現這種情況：“這些防御基因非常多樣化，而且交換非常迅速，因此群體中總是有大量的抗性個體?！边@些研究結果不僅提供了關于微生物群落如何運作的基本知識，它們還指出了利用噬菌體打擊細菌挑：“在開發噬菌體療法時必須考慮到耐藥性的快速獲得，這是因為與我們研究的那些類似的可移動遺傳因子也是抗生素抗藥性快速產生的原因?！?/p>